醫(yī)療冷鏈運輸箱監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

駱曉晶，李年攸

（三明學(xué)院 信息工程學(xué)院 福建省農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用重點實驗室，福建 三明 365004）

0 引言

醫(yī)療冷鏈主要針對生物藥品、疫苗、血液等具有高時效、高價值和容易變質(zhì)特征的對象，涉及生產(chǎn)、運輸、儲存和使用等環(huán)節(jié)[1]。由于醫(yī)療藥品等對溫濕度、時效性有特定要求，所以它們的運輸過程就顯得尤其關(guān)鍵，一旦處理不當(dāng)便會導(dǎo)致藥品質(zhì)量降低，疫苗和血液制品失效，甚至危害到病人的身體健康和生命安全。相關(guān)統(tǒng)計顯示，每年都有大量的藥品因在運輸途中的溫濕度、時間的管控不當(dāng)而浪費，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

國外一些發(fā)達(dá)國家的醫(yī)療冷鏈發(fā)展起步較早，技術(shù)和設(shè)備基礎(chǔ)條件更成熟，建設(shè)有更完整的監(jiān)控體系和行業(yè)規(guī)范。比如，已有研究人員將GPS 定位技術(shù)運用到藥品運輸過程中，并利用無線通信技術(shù)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控界面，為醫(yī)療冷鏈行業(yè)發(fā)展做出了顯著貢獻(xiàn)。

我國的醫(yī)療冷鏈行業(yè)相比國外并不發(fā)達(dá)，雖有較大龍頭企業(yè)支撐，如順豐公司等，但在相對落后的城市和農(nóng)村，冷鏈的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍較落后，設(shè)備不夠先進(jìn)，技術(shù)體系也不成熟。醫(yī)療冷鏈體系仍然存在缺乏統(tǒng)一行業(yè)規(guī)范、實時監(jiān)控體系、完善的追溯機(jī)制等問題。近年來，隨著國家政策的扶持和倡導(dǎo)，以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)如RFID、GPS配備溫度控制系統(tǒng)、冷鏈GPS 和實時溫濕度監(jiān)控等技術(shù)在醫(yī)療冷鏈物流中得到應(yīng)用，以確保藥品在運輸過程中的安全。在當(dāng)前的醫(yī)療冷鏈中承擔(dān)運輸任務(wù)的主要是冷藏車，配合以冷藏箱和保溫箱的短途配送，與藥品運輸小批量、多批次的特點相比，成本高，無法實時準(zhǔn)確掌握冷鏈藥品的環(huán)境數(shù)據(jù)和地理位置，給消費者造成不必要的用藥風(fēng)險[4-6]。

為了解決醫(yī)療冷鏈運輸環(huán)節(jié)存在的短板，本文提出了一種醫(yī)療冷鏈運輸箱監(jiān)控系統(tǒng)[7-10]解決方案。方案提出便攜式醫(yī)療冷鏈運輸箱的設(shè)計，對箱體中的溫濕度、光照及箱體位置等參數(shù)實時進(jìn)行在線監(jiān)測，并實現(xiàn)溫度的自動控制，確保藥品的安全，降低運輸成本，增加靈活性，適用于小批量多批次的藥品運輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

醫(yī)療冷鏈運輸箱監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。系統(tǒng)主要由便攜式醫(yī)療冷鏈運輸箱、服務(wù)器、Web 客戶端及微信小程序組成。其中設(shè)備負(fù)責(zé)采集溫濕度、光照、位置、指示燈狀態(tài)和制冷模塊工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，由通信模塊適時向服務(wù)器發(fā)送；制冷模塊完成溫度調(diào)節(jié)，以保證藥品的質(zhì)量。服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集存儲；Web客戶端可以設(shè)置箱內(nèi)的溫度閾值，顯示箱內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)；小程序為移動客戶提供數(shù)據(jù)信息。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2 設(shè)備設(shè)計與制作

便攜式醫(yī)療冷鏈運輸箱硬件設(shè)備主要包括Arduino UNO R3 單片機(jī)（自帶無線WiFi 模塊）、AM2302 溫濕度傳感器、NEO-M8N GPS 模塊、光照傳感器（BH1750）、移動4G 路由器、TFT 液晶顯示彩屏、LED 指示燈、半導(dǎo)體制冷模塊（由TEC1-12706 制冷片、散熱片、風(fēng)扇、導(dǎo)熱膠、升壓模塊、硅膠片、網(wǎng)罩等組裝而成），如圖2所示。其中光照傳感器用于檢測箱體的密閉性，在設(shè)備初始化時完成檢測，值越小說明箱體密閉性越好；移動4G 路由器為設(shè)備提供穩(wěn)定的通信信號源，確保工作時設(shè)備不掉線；LED 指示燈用于直觀判斷箱體中的溫度與藥品實際所需溫度差值大小，從而決定是否啟動制冷模塊。將相關(guān)元器件連接在一起所實現(xiàn)的設(shè)備實物如圖3所示。利用該設(shè)備，可以采集到藥品所處環(huán)境的溫濕度、光照、位置等數(shù)據(jù)，顯示并上傳至服務(wù)器，制冷模塊根據(jù)環(huán)境溫度是否即將達(dá)到閾值自動切換工作狀態(tài)，以確保藥品的質(zhì)量。

圖2 便攜式醫(yī)療冷鏈運輸箱組成

圖3 醫(yī)療冷鏈運輸箱實物

3 系統(tǒng)工作流程

設(shè)備使用前，先將4G 路由器的SSID 和連接密碼按照設(shè)計方案進(jìn)行配置，WiFi 模塊功能代碼實現(xiàn)指定連接。

3.1 系統(tǒng)初始化

設(shè)備開機(jī)后，點亮所有狀態(tài)指示燈，狀態(tài)變量全部置為True，WiFi 模塊自動搜索并連接上4G 路由器提供的WiFi 熱點，將初始溫濕度、光照、位置等數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并在Web 頁面顯示，以便管理員對設(shè)備密閉性和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行檢查，確定是否啟用該設(shè)備。一旦啟用，管理員將通過Web 對本批次藥品的有效溫度區(qū)間進(jìn)行設(shè)置。

3.2 閾值選擇

由于不同藥品的有效溫度區(qū)間不盡相同，因此每次啟用設(shè)備運送藥品前都必須由管理員通過Web 端對本批次疫苗的有效溫度區(qū)間（下限用min 表示，上限用max 表示，長度用d表示）進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)將根據(jù)溫差（箱體中溫度與有效溫度區(qū)間上限的距離）是否達(dá)到臨界值實現(xiàn)制冷設(shè)備的開/關(guān)自動控制。而這里的臨界值即閾值，先用max-0.1d表示，后期將根據(jù)測試數(shù)據(jù)對制冷設(shè)備的效率進(jìn)行客觀評估，并根據(jù)評估結(jié)果重新設(shè)定。

3.3 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為決策的依據(jù)。其中光照強(qiáng)度體現(xiàn)出箱體的密閉性；溫度決定是否需要啟動/關(guān)閉制冷設(shè)備，當(dāng)溫差達(dá)到閾值時啟動制冷設(shè)備降溫，當(dāng)溫度降至區(qū)間下界時關(guān)閉制冷設(shè)備；位置數(shù)據(jù)為后續(xù)工作的安排提供參照；將三色燈狀態(tài)數(shù)據(jù)與制冷設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合，用于判斷設(shè)備是否工作正常等，綠、黃、紅分別表示溫度在正常區(qū)間min～（min+0.8d）、緩沖區(qū)間（max-0.2d）～（max-0.1d）和預(yù)警區(qū)間（max-0.1d～max）。數(shù)據(jù)采集的時間間隔將根據(jù)溫度所在區(qū)間不同而調(diào)整，在正常區(qū)間和緩沖區(qū)間時數(shù)據(jù)采集時間間隔為該藥品在異常情況下能維持有效的最長時間（用Exp 表示），在非正常區(qū)間（包括預(yù)警區(qū)間）時數(shù)據(jù)采集時間間隔為0.1Exp，確保持續(xù)有效監(jiān)測。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)通過4G 路由器將設(shè)備工作數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，經(jīng)處理后分別在Web 端和微信小程序端顯示。數(shù)據(jù)發(fā)送遵循異常觸發(fā)機(jī)制：正常情況下一個周期（即Exp）發(fā)一次；一旦系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)異常，則轉(zhuǎn)換成密集（0.1Exp）發(fā)送，直到現(xiàn)場恢復(fù)正常。這里所指的異常包括光照數(shù)據(jù)過大（設(shè)備密閉性不足），溫差過小（接近失效，啟動制冷設(shè)備降溫），制冷設(shè)備的工作狀態(tài)與當(dāng)前溫度、三色燈狀態(tài)量產(chǎn)生矛盾（系統(tǒng)或設(shè)備故障）等。

3.5 數(shù)據(jù)處理

將云服務(wù)器收集到數(shù)據(jù)進(jìn)行整理入庫，根據(jù)數(shù)據(jù)間的關(guān)系自動判斷出設(shè)備是否正常工作（存儲數(shù)據(jù)表元組級約束實現(xiàn)自動提醒），并通過Web 頁面和微信小程序圖形化展示，讓管理員和用戶都能實時了解本批次藥品的情況。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)由設(shè)備端、Web 端和小程序共同完成。設(shè)備端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸，并實現(xiàn)自動控制，Web 端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示和初始參數(shù)的設(shè)置，小程序可以方便用戶隨時隨地掌握藥品的狀態(tài)。

4.1 設(shè)備端的功能實現(xiàn)

設(shè)備端的主要功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與自動控制，其中傳輸使用MQTT 協(xié)議，防止網(wǎng)絡(luò)信號的中斷導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不完整，主要功能代碼如下：

自動控制要實現(xiàn)制冷設(shè)備的開關(guān)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)置，主要功能代碼如下：

4.2 Web 端功能實現(xiàn)

Web 端主要功能是為管理員提供初始參數(shù)設(shè)置、設(shè)備與實時數(shù)據(jù)信息、圖形化歷史數(shù)據(jù)信息、設(shè)備定位信息、藥品溯源信息等。其中參數(shù)設(shè)置操作界面如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置操作界面

Web 端設(shè)置好的參數(shù)要起作用，必須通過服務(wù)器傳送到設(shè)備端的Arduino 網(wǎng)關(guān)，主要功能代碼如下：

設(shè)備與實時數(shù)據(jù)信息顯示界面如圖6所示。溫濕度和光照歷史數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示。設(shè)備定位信息顯示界面如圖8所示。

圖6 設(shè)備及實時數(shù)據(jù)信息顯示界面

圖7 溫濕度和光照歷史數(shù)據(jù)顯示界面

圖8 設(shè)備定位顯示界面

獲取信息的主要代碼如下：

4.3 微信小程序功能實現(xiàn)

微信小程序為用戶提供了更為便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)，包括溫濕度、光照、冷機(jī)狀態(tài)和位置等實時信息，操作界面如圖9所示。歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測情況如圖10所示。

圖9 用戶實時數(shù)據(jù)查詢

圖10 歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測情況

5 結(jié)語

本文開發(fā)的醫(yī)療冷鏈運輸箱監(jiān)控系統(tǒng)為醫(yī)療冷鏈各環(huán)節(jié)，特別是運輸環(huán)節(jié)，提供了一種靈活性高、成本低、續(xù)航時間長、通信穩(wěn)定的技術(shù)解決方案，能對設(shè)備所處環(huán)境數(shù)據(jù)完成實時采集、傳輸、存儲、查詢與展示，并實現(xiàn)預(yù)警和溫度自動控制，讓用戶能隨時隨地掌握藥品所處的環(huán)境，為藥品安全提供有力保障，為后續(xù)行動提供決策依據(jù)，并可以推廣應(yīng)用到其他冷鏈領(lǐng)域。