藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

夏明娜，張瑞成，馬 征

（1.河北聯(lián)合大學，河北 唐山 063000；2.唐山職業(yè)技術學院，河北 唐山 063000；3.唐山市第二十三中學，河北 唐山 063020）

1 本系統(tǒng)設計意義

目前，溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)種類較多，但專門針對藥品倉儲環(huán)境溫濕度監(jiān)控的系統(tǒng)并不多見，尤其是針對基層中小藥房的便攜型溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)更是少之又少。由于基層藥房藥品主要集銷售、倉儲于一體，大多面積不大、投資較少，選用現(xiàn)在市面上的分布式智能網(wǎng)絡型監(jiān)控系統(tǒng)安裝繁瑣，且成本投入過大，顯然不易被中小藥品經(jīng)營者所接受。因此，開發(fā)一款“實用、小巧、成本低、移動性好”專門應用于基層中小型藥品儲藏場所的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)具有廣泛應用意義。

2 本系統(tǒng)的總體設計

本藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)采用nRF905無線模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，nRF905是挪威Nordic公司推出的一款單片射頻發(fā)射器芯片，采用32引腳5mm×5mmQFN封裝，工作于433、868、915MHz3 個 ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻道，其中國內433頻段可以免費使用。另外，nRF905功耗很低，在以-10dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有11mA；而對應接收機的工作電流只有12.5mA，芯片可以軟件設置空閑模式、關機模式，易于節(jié)能設計。適合工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線報警及安全系統(tǒng)等諸多領用。采用該模塊解決了安裝過程中的布線環(huán)節(jié)，節(jié)省了安裝成本。

藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)以環(huán)境溫度和濕度為測量對象，DTH11數(shù)字式溫濕度傳感器包含一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，且可直接與單片機連接。采用DTH11數(shù)字溫濕度傳感器為系統(tǒng)的測量單元，可以同時完成溫度和濕度的采集任務。DTH11數(shù)字式傳感器具有體積小、功耗極低、響應快、抗干擾能力強和性價比高的特點，符合本系統(tǒng)的移動性、低功耗性、低成本的設計原則。另外，該傳感器信號傳輸距離可達20m以內，溫度測量范圍為0～50℃，濕度范圍為20～90%RH，測濕誤差為±5%RH，測溫誤差為±2℃。

3 本系統(tǒng)待解決的關鍵技術

本系統(tǒng)待解決的關鍵技術有以下幾個方面。

（1）數(shù)據(jù)傳輸距離問題。對于無線點對點的傳輸距離是有限的，室外也就100m左右，室內會衰減很大，采用中繼接力方式，在理論上可以無限的向前延伸，以達到通信的大面積覆蓋。

（2）通信頻率設置問題。因為無線通信的頻率好比人類語言，中國人要和法國人說話，如果語言不同是不能交流的，無線也一樣，只有收發(fā)雙方處于同一工作頻率，兩者才能建立通信。而且，在我們這個系統(tǒng)應用中，由于兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要兩個節(jié)點的工作在不同頻率，以避免干擾。所以需要中繼節(jié)點不斷的切換頻率來實現(xiàn)和ID1 ID2之間輪詢通訊。

（3）網(wǎng)絡通信協(xié)議。由于傳感器節(jié)點能源能量的限制，計算能力、存儲能力以及通信能力有限，因此節(jié)點上運行的網(wǎng)絡通信協(xié)議不能太復雜。

（4）系統(tǒng)功耗。盡可能的減低藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的功耗，使節(jié)點安放好后可以長時間的工作，延長節(jié)點的電池使用壽命。

（5）成本。由于本藥品倉儲溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的主要應用于基層的中小型藥品經(jīng)營單位，成本和造價問題是本系統(tǒng)設計時需要重點考慮的問題。

4 本系統(tǒng)模塊化設計

根據(jù)對本藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的功能分析，暫設定兩個監(jiān)測節(jié)點ID1和ID2，由兩節(jié)點采集到環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)后傳輸給中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點將數(shù)據(jù)保存并傳送給接收終端進行顯示。藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)收發(fā)、主控芯片處理等，由于傳輸距離和功率衰減問題，本系統(tǒng)還設計了中繼轉發(fā)功能，因此，本系統(tǒng)分為主控顯示終端模塊、中繼模塊和數(shù)據(jù)采集模塊三大模塊。主控顯示終端模塊功能在于接收傳感器終端的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行分析，最終作出控制策略；數(shù)據(jù)采集模塊功能在于由智能傳感器采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給中繼模塊；中繼模塊將采集模塊的數(shù)據(jù)進行轉發(fā)給主控模塊。其系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的結構模型和所要預期實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計。系統(tǒng)模塊主要包括主控顯示終端模塊、溫濕度采集模塊和中繼模塊三大模塊。在每個大模塊中又分為若干個小模塊，每個小模塊完成一個小任務。模塊化程序設計方法是編程過程中非常重要的一種方法。所謂模塊化就是將一個多功能復雜的程序劃分為若干個簡單的、功能單一的程序模塊。這種編程方法就好像我國古代的活字印刷術一樣，每一個功能制作成一個具體的“活字”，分別對這些模塊程序進行獨立的設計和調試，最后將模塊程序裝配成整體程序進行聯(lián)調。這種模塊化編程思想把大問題化成了小問題，把大任務化成了小任務有利于程序的設計和調試，也有利于程序的優(yōu)化和分工，并且提高了程序的可讀性和可靠性。

藥品倉儲無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的主控顯示終端模塊主要完成對傳來數(shù)據(jù)的監(jiān)聽，然后將監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)送到LCD顯示屏進行顯示，與此同時，還將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設置數(shù)據(jù)進行比較，當超出限定值時啟動相應報警電路及控制電路。采集節(jié)點上電啟動后設置其各自的工作頻率，初始化后每2s采集一次溫濕度傳感器數(shù)據(jù)并通過nRF905發(fā)送出去，與此同時顯示當前此節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

5 結語

本系統(tǒng)設計為產(chǎn)品化設計，旨在普及應用在基層中小藥房，因此在元件布局時首要考慮元件布局的緊湊性。要想保證布局的緊湊性，只有對元件布局進行優(yōu)化，才能有效的降低布線難度和生產(chǎn)工藝要求。保證元件布局時使各模塊緊密契合，還需要注意各PCB之間的銜接，便于系統(tǒng)硬件的擴展。目前，本系統(tǒng)設計依賴于無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡完成了基本的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集并實現(xiàn)簡單的控制功能。日后可進一步將本系統(tǒng)功能進行擴展，例如連接打印機及電腦將24小時監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄并打印，從而省去人工讀數(shù)和填表的工作。