基于GPRS的醫(yī)藥品溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 煜，葉 剛

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，江蘇 南京210023；2.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210016；3.福澤科技有限公司，浙江 嘉興314000）

0 引 言

醫(yī)藥品溫度監(jiān)測(cè)是醫(yī)藥品管理的重要內(nèi)容。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展和藥品研發(fā)的進(jìn)步，現(xiàn)在醫(yī)藥品的種類(lèi)繁多、數(shù)量巨大，在實(shí)驗(yàn)、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)，均需要進(jìn)行溫度的嚴(yán)格監(jiān)控。需要低溫保存的醫(yī)藥品通常要置于冰箱等控溫設(shè)備內(nèi)保存，而有些長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的控溫設(shè)備會(huì)由于故障等原因而出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)溫度的問(wèn)題，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)控溫設(shè)備的異常，需要監(jiān)控控溫設(shè)備內(nèi)溫度的變化。

現(xiàn)有的含溫度信息在內(nèi)的各類(lèi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)很多［1－8］，但是在應(yīng)用到醫(yī)藥品管理領(lǐng)域時(shí)，還有很多需要解決的問(wèn)題。如：鮮曉東等［1］、張瑞娟［2］、劉卉等［3］、嚴(yán)麗平等［4］、王可之等［5］、蔣鵬［6］采用終端發(fā)射信號(hào)方法向控制核心傳輸傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，但對(duì)于醫(yī)藥品領(lǐng)域來(lái)說(shuō)有些情況下此方法會(huì)對(duì)其他器械造成影響，而不適宜采用；單一GPRS方式傳送數(shù)據(jù)［3，7］方式，遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)為獲取實(shí)時(shí)信息，而帶來(lái)通信成本過(guò)高的問(wèn)題；溫陽(yáng)東等［8］采用總線(xiàn)進(jìn)行通信，監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)展性受限；保存數(shù)據(jù)完整性有待提高［1－2，8］。

本文針對(duì)醫(yī)藥品管理的實(shí)際需求，應(yīng)用醫(yī)療機(jī)構(gòu)大多均已具有的Ethernet網(wǎng)絡(luò)條件，構(gòu)建GPRS網(wǎng)絡(luò)和Ethernet網(wǎng)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，采用了終端和遠(yuǎn)程相結(jié)合的控制方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Ethernet網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，解決了傳統(tǒng)方式大規(guī)模監(jiān)測(cè)時(shí)，通信成本大和不易擴(kuò)展的問(wèn)題；數(shù)據(jù)庫(kù)方面采用本地和遠(yuǎn)程雙層數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的安全和完整。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

醫(yī)藥品溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括溫度傳感器、溫度采集儀和遠(yuǎn)程控制中心三部分，工作原理與整體架構(gòu)如圖1所示。首先將存儲(chǔ)醫(yī)藥品的冰箱等溫控設(shè)備和溫度傳感器進(jìn)行一對(duì)一的編號(hào)，然后將溫度傳感器從溫控設(shè)備的排水口處放入相應(yīng)的設(shè)備內(nèi)部測(cè)量溫度，溫度采集儀實(shí)時(shí)采集溫度信息，存儲(chǔ)至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，溫度采集儀將信息通過(guò)Ethernet網(wǎng)，上傳至遠(yuǎn)程控制中心，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；當(dāng)測(cè)得的溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)置的溫度范圍時(shí)，可通過(guò)溫度采集儀中的GPRS通信模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向指定負(fù)責(zé)人發(fā)送SMS報(bào)警信息。遠(yuǎn)程控制中心接收到數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。遠(yuǎn)程控制中心上運(yùn)行的監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行分析和處理，當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)置的范圍時(shí)，可進(jìn)行多種報(bào)警：通過(guò)短信發(fā)送程序以SMS的形式發(fā)送報(bào)警信息給負(fù)責(zé)人；監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警；發(fā)送電子郵件給負(fù)責(zé)人。用戶(hù)可以通過(guò)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)遠(yuǎn)程控制中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心上運(yùn)行的監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行查詢(xún)、修改和刪除等處理。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括溫度傳感器和溫度采集儀。溫度采集儀由ARM微處理器S3C44B0X作為控制核心，此外，集成了GPRS通信模塊EM310和網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000等元件。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制主板

2.2 溫度傳感器

根據(jù)成本和精度的需要，采用Pt100作為溫度傳感器。Pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。Pt100輸出的是模擬量，本系統(tǒng)使用A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由圖2中S3C44B0X主板上的ADC接口輸入，每臺(tái)溫度采集儀最多可以接入8個(gè)傳感器。

2.3 GPRS模塊

本系統(tǒng)采用的是華為技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EM310 GRPS／GSM模塊。該模塊具有功耗低的特點(diǎn)，待機(jī)平均電流為2.5mA，通話(huà)模式的最大值為240mA，工作電壓為3.4V－4.7V；協(xié)議支持 GSM／GPRS；可通過(guò) AT命令對(duì)模塊進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和來(lái)電顯示、呼叫轉(zhuǎn)移等功能。

GPRS模塊具有發(fā)送SMS信息、語(yǔ)音通話(huà)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕PRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能。如圖2所示，主板S3C44B0X32通過(guò)RS232串口與GRPS通信模塊連接，通過(guò)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，將測(cè)得的超過(guò)設(shè)置范圍的信息，發(fā)送至GPRS模塊上SIM卡中設(shè)置的號(hào)碼，以通知相關(guān)負(fù)責(zé)人預(yù)警信息。當(dāng)該通道的溫度回復(fù)正常后，再次發(fā)送SMS信息通知負(fù)責(zé)人溫度數(shù)據(jù)回復(fù)正常的信息。

2.4 網(wǎng)絡(luò)芯片

本系統(tǒng)中選用DEVICOM公司研發(fā)的DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片。網(wǎng)絡(luò)芯片提供了單片機(jī)與以太網(wǎng)連接的通道，主板通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000連接，S3C440BX首先將采集的溫度數(shù)據(jù)打包發(fā)送至DM9000上，然后再由網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)LAN或WAN將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括溫度采集儀上運(yùn)行的終端控制單元和遠(yuǎn)程控制中心上運(yùn)行的監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)兩部分。

3.1 終端控制單元的設(shè)計(jì)

溫度采集儀上運(yùn)行的終端控制單元在Linux環(huán)境下，采用C＋＋語(yǔ)言、miniGUI函數(shù)庫(kù)，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.1.1 A／D濾波算法

測(cè)量溫度時(shí)，溫度傳感器pt100連續(xù)采集模擬量，采用防脈沖干擾平均濾波法，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。該算法為成熟算法，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。本系統(tǒng)中，連續(xù)采樣12個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算余下的10個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)。

案例分析是一種基于案例基礎(chǔ)上進(jìn)行教授的教學(xué)模式，教師在教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)案例進(jìn)行自主觀察、分析、思考與總結(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中教師講、學(xué)生聽(tīng)的固定模式，通過(guò)案例分析的教學(xué)方式學(xué)生能自主查閱與案例相關(guān)的理論實(shí)踐知識(shí)，通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)來(lái)給出最好的案例解決之道。該教學(xué)法目前已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、法學(xué)等實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的學(xué)科取得了廣泛的應(yīng)用。案例分析的基本思想是以教師案例為中心、學(xué)生思考為主體，使學(xué)生圍繞著所舉出的案例進(jìn)行探討型的研究性學(xué)習(xí)模式，注重于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)的綜合能力[3-4]。

3.1.2 終端控制單元設(shè)計(jì)

終端控制單元通過(guò)嵌入式開(kāi)發(fā)集成到溫度采集儀的S3C44B0X上，將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，工作流程如圖3所示。初始化后，創(chuàng)建定時(shí)器，每4秒采集一次數(shù)據(jù)并保存到本地小型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite中，SD卡作為介質(zhì)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)每條大小在20－30字節(jié)范圍內(nèi)，采集儀上配置的SD卡為8G容量，可以?xún)?chǔ)存2年的數(shù)據(jù)，足夠滿(mǎn)足實(shí)際需求。溫度數(shù)據(jù)除保存在溫度采集儀上的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)之外，還通過(guò)DM9000網(wǎng)絡(luò)芯片發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心所連接的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。此外，當(dāng)測(cè)得的溫度超過(guò)所設(shè)置的溫度范圍時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送AT命令控制EM310模塊向預(yù)先登錄在溫度采集儀上的號(hào)碼發(fā)送文本型SMS，進(jìn)行報(bào)警。

圖3 終端控制單元工作流程

3.1.3 GPRS模塊的軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)GPRS模塊EM310發(fā)送SMS的功能實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 EM310發(fā)送SMS功能實(shí)現(xiàn)流程

算法如下：

（1）定義隊(duì)列m＿q用于記錄異常數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到異常數(shù)據(jù)時(shí)，將該數(shù)據(jù)寫(xiě)入隊(duì)列，同時(shí)，將該條數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄異常狀態(tài)的字段status設(shè)為1。

（2）定義線(xiàn)程proc（）監(jiān)控m＿q隊(duì)列，當(dāng)m＿q中有數(shù)據(jù)時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和負(fù)責(zé)人號(hào)碼信息，并將status字段重置為0，表示該異常數(shù)據(jù)已經(jīng)被處理。

（3）定義方法make＿pdu＿msg，生成發(fā)送內(nèi)容和AT命令。為確保發(fā)送的字符不出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象，將內(nèi)容轉(zhuǎn)換為utf8格式。用于發(fā)送信息的AT命令為 “AT＋CMGS＝”后接電話(huà)號(hào)碼。

（4）定義send＿cmd方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。調(diào)用send＿cmd方法，參數(shù)分別為SMS內(nèi)容和AT命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)EM310模塊的控制，發(fā)送報(bào)警短信。

（5）若同一通道采集的數(shù)據(jù)回復(fù)正常，將數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)status字段設(shè)為0，調(diào)用make＿pdu＿msg（）方法生成發(fā)送內(nèi)容和AT命令，調(diào)用send＿cmd（）方法，發(fā)送數(shù)據(jù)回復(fù)正常的SMS短信。

3.2 遠(yuǎn)程控制中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制中心上運(yùn)行的軟件由通訊程序和監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)兩部分組成。通訊程序由即時(shí)通訊程序和入庫(kù)程序組成。即時(shí)通訊程序與各溫度采集儀實(shí)時(shí)通訊，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)指令，將數(shù)據(jù)以文件的形式保存至通訊服務(wù)器。入庫(kù)程序?qū)⒓磿r(shí)通訊程序保存至通訊服務(wù)器上的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，輸入到中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中，供監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)。監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)，有查詢(xún)，修改，刪除數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控，聲光報(bào)警，參數(shù)設(shè)置等功能。

監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)基于 MVC模式，B／S架構(gòu)，Web服務(wù)器采用WebLogic，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用JAVA的J2SE開(kāi)發(fā)包，所有數(shù)據(jù)庫(kù)處理采用Java Beans形式進(jìn)行封裝，界面采用JSP＋Java Applet的方式開(kāi)發(fā)。監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)中心應(yīng)用系統(tǒng)的界面

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范［9］和2010版中國(guó)藥典［10］的定義，冷處醫(yī)藥品是指需要保存在溫度為2～10℃范圍內(nèi)的醫(yī)療用品或藥品。此類(lèi)醫(yī)藥品在測(cè)試等階段需要置于將溫度控制在2～10℃的控溫設(shè)備內(nèi)保存，由于醫(yī)藥品通常保存時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)管理部門(mén)需監(jiān)控的設(shè)備數(shù)量龐大，因此在測(cè)試、儲(chǔ)存期內(nèi)有可能出現(xiàn)設(shè)備故障等原因造成測(cè)試階段無(wú)法正常監(jiān)控藥品的情況。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際需求，將開(kāi)發(fā)的醫(yī)藥品溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于冰箱內(nèi)溫度監(jiān)控。設(shè)置溫度傳感器所在的通道范圍為冷處溫度即2℃－10℃，將傳感器從冰箱的排水口置于冰箱內(nèi)，進(jìn)行了7×24小時(shí)的測(cè)試，系統(tǒng)提示的報(bào)警狀態(tài)與實(shí)際預(yù)先登錄號(hào)碼的手機(jī)上接收到的報(bào)警短信相吻合。所測(cè)得的相應(yīng)通道的部分溫度曲線(xiàn)圖如圖6（a）所示，查詢(xún)相關(guān)時(shí)間的數(shù)據(jù)，如圖6（b）可見(jiàn)報(bào)警時(shí)間、溫度以及報(bào)警狀態(tài)等記錄。

4.2 結(jié)果分析

4.1 中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程驗(yàn)證了系統(tǒng)的整體運(yùn)行過(guò)程具有實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和有效性，但是實(shí)際溫度與系統(tǒng)測(cè)量溫度的誤差，沒(méi)有進(jìn)行驗(yàn)證。為了進(jìn)行測(cè)量溫度準(zhǔn)確度的測(cè)試，采用誤差為0.05℃，刻度單位為0.05℃的一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，設(shè)計(jì)了測(cè)量實(shí)驗(yàn)?？紤]到在冰箱內(nèi)測(cè)量實(shí)際溫度時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)讀取的不便，采用以下方法實(shí)驗(yàn)：取6個(gè)量杯，分別裝入不同溫度的水，同時(shí)放入標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和傳感器進(jìn)行測(cè)量，記錄下測(cè)得的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的通道范圍仍設(shè)為冷處溫度即2℃－10℃。調(diào)整水溫，進(jìn)行了20組上述的測(cè)試，測(cè)得的所有結(jié)果顯示，測(cè)得溫度與實(shí)際溫度的誤差均在±0.2℃之間。表1為其中一組的測(cè)試結(jié)果。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的界面

表1 溫度測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)置的范圍時(shí)，報(bào)警信息在溫度采集儀和遠(yuǎn)程控制中心均有提示，同時(shí)，預(yù)先登錄號(hào)碼的手機(jī)接收到SMS報(bào)警信息，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中能夠進(jìn)行查詢(xún)，并能查看溫度曲線(xiàn)圖。系統(tǒng)測(cè)得的溫度與實(shí)際溫度的誤差在±0.2℃之間，滿(mǎn)足醫(yī)藥品溫度監(jiān)測(cè)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用醫(yī)療機(jī)構(gòu)普遍具有的Ethernet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，基于GPRS和Ethernet結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量、傳輸和處理的方案，并加以實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)測(cè)量到的溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)置的范圍時(shí)，可進(jìn)行SMS短信報(bào)警、聲光報(bào)警等多種方式的報(bào)警。采集到的數(shù)據(jù)分別保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)，即使通過(guò)GPRS模塊發(fā)送報(bào)警短信時(shí)，也采用技術(shù)處理減少發(fā)送報(bào)警短信的次數(shù)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用；所記錄數(shù)據(jù)完整性好；測(cè)得數(shù)據(jù)精度高；監(jiān)測(cè)規(guī)模擴(kuò)展性好。本研究所構(gòu)筑的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用到其他監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)完整性和精度要求高的領(lǐng)域。

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