蒙治科，黨小花，馬君毅，寧睿

【摘? 要】 藥廠等無菌生產(chǎn)的空間環(huán)境中，對空氣環(huán)境的潔凈度要求較高?；诖?，文章依據(jù)無菌空間的環(huán)境需求，開發(fā)了ZigBee和NB-IoT技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了潔凈室關(guān)鍵生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫濕度、顆粒物、懸浮微生物以及懸浮粒子數(shù)等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，進而確保潔凈室生產(chǎn)活動的環(huán)境要求。結(jié)果顯示，參照IEEE 802.3 at標準的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了供電信號和控制信號的雙向交互，使環(huán)境監(jiān)測業(yè)務實現(xiàn)了集成，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性也大幅提升。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠應用于潔凈室的環(huán)境監(jiān)測，實現(xiàn)了溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)的綜合測量，實測數(shù)據(jù)表明，其監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測信息的準確度較高，能夠準確描述潔凈室環(huán)境的末端狀態(tài)，應用效果良好。

【關(guān)鍵詞】 潔凈室；環(huán)境監(jiān)測；生產(chǎn)環(huán)境；實現(xiàn)策略

一、潔凈室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件方案

（一）綜合監(jiān)測儀

綜合監(jiān)測儀在系統(tǒng)內(nèi)為集成化的綜合測量產(chǎn)品，主要應用于室內(nèi)溫濕度、顆粒物以及生物濃度的監(jiān)測，安裝結(jié)構(gòu)為三腳架安裝，其安裝的監(jiān)測位置為測試大廳內(nèi)來實時地獲取現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。線路設(shè)備硬件中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及電力數(shù)據(jù)傳輸主要是由PoE技術(shù)結(jié)合網(wǎng)線線纜來實時地進行通訊和供電，保證了整個供電及數(shù)據(jù)通信的安全和可靠低功耗監(jiān)控的傳感節(jié)點分布。同時綜合監(jiān)測儀的布置節(jié)點模型也是重要的核心環(huán)節(jié)，其節(jié)點分布計算的原理為：

A=cNjai

式中：Nj為第j層匯聚節(jié)點的位置集合；ai是第i個節(jié)點的距離損耗；c是常數(shù)系數(shù)，默認取值為0.85。系統(tǒng)采用了多源陣列的融合感知方法，實現(xiàn)了遠距離和低功耗的數(shù)據(jù)傳輸效果。

（二）上位機

上位機所采取的類型主要為服務器和普通臺式機兩種類型，其安裝位置為控制室，軟件側(cè)需要輔助有監(jiān)測及控制軟件進行功能輔助（需定期開展軟件升級），實現(xiàn)軟硬件之間的完整功能交互。其功能要點上需要滿足所有遠程監(jiān)測儀器的通訊、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)調(diào)用、采樣時間周期設(shè)置等。

（三）以太網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)絡(luò)主要是由以太網(wǎng)和PoE交換機組成，其中PoE交換機能夠為整個系統(tǒng)裝置提供穩(wěn)定的電力供應，并結(jié)合以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控儀和上位機之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了信號傳遞的穩(wěn)定傳輸。

（四）交換機網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)“PoE交換機組”的功能要求，其硬件網(wǎng)絡(luò)在保證數(shù)據(jù)傳輸效率的同時，還能夠為網(wǎng)絡(luò)終端提供穩(wěn)定的電能，根據(jù)IEEE 802.3 at標準的供電傳輸設(shè)備的功率為25.5W，交換機網(wǎng)絡(luò)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個硬件的數(shù)據(jù)監(jiān)控與傳輸需求。需要特別說明的是，在進行硬件設(shè)備產(chǎn)品選型的過程中需要對端口數(shù)量以及在線設(shè)備數(shù)量進行綜合考量，最大限度地保證多點監(jiān)測中的每個端口都能夠獲得穩(wěn)定的功率。

二、潔凈室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊

（一）溫度、濕度檢測

潔凈室的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)中，對產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境要求較高，因此對傳感器的傳感精密度要求也較高，系統(tǒng)監(jiān)測的傳感器末端中，設(shè)計了PT100A級鉑電阻和濕敏電容為末端傳輸接口。其溫度傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度為0～50℃（±0.2℃）；濕度傳感器的數(shù)據(jù)精度為0～100% RH（±2%），并且溫濕度的檢測集成到在線監(jiān)測系統(tǒng)當中。

（二）潔凈度檢測

潔凈度檢測主要是通過激光空氣粒子計數(shù)器來對潔凈室內(nèi)的潔凈度參數(shù)進行測量，測量的過程中，采樣空氣以2.5 L/min的速度流經(jīng)光敏區(qū)，光敏區(qū)內(nèi)依據(jù)光散射的原理，對空氣進行照射。其中，在線懸浮粒子監(jiān)測系統(tǒng)為PMS系統(tǒng)，離線在線懸浮粒子監(jiān)測系統(tǒng)為德國默克系統(tǒng)。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化以及信號調(diào)理后，實現(xiàn)對多通道的灰塵粒子脈沖計數(shù)，最終輸出不同粒徑的粒子串行數(shù)據(jù)。

（三）串口服務器

基于DSP系統(tǒng)來開展?jié)崈羰铱臻g環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其加載方式主要由BMODE0、BMODE1來進行設(shè)定。串口服務器完成的是串行通信以及基于以太網(wǎng)的TCP/IP通信，進而綜合滿足了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（四）PoE分離器

各類節(jié)點的數(shù)據(jù)信號傳輸要求，硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的PoE分離器需要分解成硬件設(shè)備的控制信號以及24V（DC）電流兩種。同時為更好地滿足綜合監(jiān)測儀的功耗需求，所有軟件參數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸需支持IEEE 802.3 at的執(zhí)行標準，進而更好地保證供電冗余度以及監(jiān)測儀運行的穩(wěn)定性。并且對標準本身而言，IEEE 802.3 at標準集成了浪涌保護、數(shù)字PD控制等核心功能，也能夠最大限度地維護系統(tǒng)運行的安全。

（五）監(jiān)測儀散熱設(shè)計

潔凈室內(nèi)對環(huán)境溫度的穩(wěn)定性具有較高的要求，而末端監(jiān)測設(shè)備由于其自身內(nèi)部發(fā)熱的影響，可能會降低末端采集數(shù)據(jù)的精確度。因此在進行硬件設(shè)計和場地布置的過程中，需要重點優(yōu)化發(fā)熱設(shè)備的設(shè)計與布置，在外殼當中增設(shè)散熱孔，并且根據(jù)現(xiàn)場的空間位置情況優(yōu)化傳感器的位置布局。

（六）通信與監(jiān)測儀設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用了IEEE 802.3 at的參數(shù)設(shè)計標準，通過以太網(wǎng)線纜實現(xiàn)了電力和信號傳輸?shù)膹陀?。其遠程通信協(xié)議主要涵蓋的是啟停控制信號以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗棓?shù)據(jù)，通過配合上位機軟件中的終端設(shè)備配置功能，能夠最大限度地保障系統(tǒng)配置的便利性及靈活度。

三、潔凈室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用了嵌入式的ARM中央處理器在對系統(tǒng)功能進行集成化處理，電位控制的過程中，通過集成控制和模糊控制兩種控制方法對過程參數(shù)信息進行集成，并且在功能要義上，構(gòu)建起潔凈室低功耗的總線控制集成模塊。末端設(shè)備中，采用敏感傳感器實現(xiàn)了對遠距離低功耗監(jiān)控原始信息的采集，并將參數(shù)信息嵌入STM32 F101xx中，實現(xiàn)集成化的參數(shù)信息處理。

在集成化的信息交互處理中，采用集成化的嵌入控制方法，實現(xiàn)了多端傳感器的跟蹤融合，構(gòu)建起了潔凈室“遠距離低功耗”的通信信息數(shù)據(jù)端人機交互的端口模塊。并且在核心模塊開發(fā)的過程中，基于PLC及VIX總線模塊實現(xiàn)了監(jiān)控信息參數(shù)及控制指令的深度融合，并且采用了ADSP 2101來作為控制系統(tǒng)的核心中樞，實現(xiàn)了“遠距離低功耗”的復位控制。

（一）無線信息射頻模塊設(shè)計

無線射頻模塊參照CC 2530標準來進行開發(fā)設(shè)計，其深度融合了RF收發(fā)器的先進性能。同時依據(jù)潔凈室不同位置的記錄要求，分別安裝了32 / 64 / 128 / 256 KB的不同存儲模塊，進而滿足了不同運行模式下的運行存儲低能耗要求。

（二）電源模塊設(shè)計

電源供給是各個節(jié)點能夠穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，盡管各個參數(shù)節(jié)點對功耗的要求較低，但是在收發(fā)信息的過程中仍舊會消耗30 mA的電流。為更好地適配各個節(jié)點的電壓要求，系統(tǒng)采用了AS1117—3.3穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，保障系統(tǒng)的運行安全。

（三）節(jié)點PCB設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點采用疊層結(jié)構(gòu)的PCB設(shè)計，其結(jié)構(gòu)分為頂層和底層兩部分，其中頂層主要是應用于信號層和電源層。而底層部分主要應用于接地和信息傳輸。在現(xiàn)場布線的過程中，需要深度參照信號和電源的完整性原則進行布線。

（四）ZigBee - NB IoT 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用ZigBee 和 NB-IoT的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)的控制部分為STM 32，并且NB-IoT通訊模塊和ZigBee通訊模塊分別通過TTL串口和STM 32直接連接，具有更高性能、更高代碼密度以及低成本和低功耗的優(yōu)勢，其引腳定義描述信息如表1所示。

（五）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要匯聚節(jié)點，能夠逐一地為網(wǎng)絡(luò)成員分配IP地址，實現(xiàn)了各個節(jié)點之間參數(shù)關(guān)系的深度捆綁。而路由器在潔凈室的通訊范圍內(nèi)，能夠?qū)⑵渥鳛楦腹?jié)點來控制其他節(jié)點加入或斷開網(wǎng)絡(luò)，為各個節(jié)點動態(tài)化地分配地址和路由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時當ZigBee協(xié)調(diào)器實時接收到來自STM 32網(wǎng)關(guān)的命令參數(shù)時，最終將命令信息通過無線射頻的端口傳輸?shù)絑igBee終端。

（六）ZigBee - NB IoT網(wǎng)關(guān)端口配置設(shè)計

初始化端口鏈接了各個環(huán)境監(jiān)測傳輸端口的ZigBee通訊模塊，并且串口數(shù)據(jù)端口連接了NB ╞ IoT通訊單元。其主要步驟為：

第一步，判斷NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定連接；

第二步，開機注冊網(wǎng)絡(luò)并且激活網(wǎng)絡(luò)；

第三步，配置服務器端口IP地址CoAP地址；

第四步，開啟環(huán)境監(jiān)測問答監(jiān)測信號。

其中，通信模塊通過串行端口來進行命令的傳送，其中cmd代表發(fā)送的命令字符；ack代表的預期的回應數(shù)值；wait time代表響應時間，如果回應數(shù)值為1代表數(shù)據(jù)已發(fā)送，如果回應數(shù)值為0代表數(shù)據(jù)發(fā)送失敗；successfully ack代表響應成功。

四、潔凈室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能測試

將整條電路、硬件裝置以及軟件系統(tǒng)搭建完成后，立即開展了基于自動物聯(lián)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)功能測試，其步驟主要涵蓋：1. 在潔凈室數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)后臺中隨機選取三個位置的觀測點；2. 實地考察三個位置點，并通過手持參數(shù)測量設(shè)備記錄觀測點的溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)等參數(shù)；3. 依據(jù)后臺系統(tǒng)內(nèi)導出的溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)進行參數(shù)數(shù)值的對比，其對比參數(shù)的結(jié)果如表2所示。

對比表2的數(shù)據(jù)測試參數(shù)可見，監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)值與實測數(shù)據(jù)之間的誤差較小，并且符合GMP的要求。因此，監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確地反映出潔凈室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)變化，顯著提升了潔凈室低功耗、遠距離的數(shù)據(jù)監(jiān)控能力。

參考文獻：

［1］ 寧鐘靈，劉洋. 潔凈室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能確認方法研究［J］. 大眾科技，2022，24（07）：1-4.

［2］ 楊文斌，耿洲，潘杰. 智能環(huán)境在線監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)在PIVAS潔凈室的應用［J］. 中國現(xiàn)代應用藥學，2021，38（14）：1770-1775.

［3］ 任杏珠. 醫(yī)藥潔凈廠房空調(diào)系統(tǒng)確認和環(huán)境監(jiān)測取樣點選取探討［J］. 煤炭與化工，2022，45（01）：144-150.