生物安全潔凈室壓差實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉飛，王 斌，徐 博，呂 川，張良力

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

隨著生物、醫(yī)療、衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，在生物病毒研究、生物技術(shù)開發(fā)、遺傳基因工程、特殊醫(yī)療手術(shù)病房方面，越來越多的生物安全潔凈室相繼建立和投入，但是由于種種原因，潔凈室安全事故時(shí)有發(fā)生，例如在病原體研究實(shí)驗(yàn)中，工作人員的發(fā)病率比普通人群高5～7倍，病原體逃逸出設(shè)施造成他人和動物感染的事例也有發(fā)生，所以加強(qiáng)生物安全潔凈室的科學(xué)防護(hù)尤為重要[1]。

對于生物安全潔凈室，房間靜態(tài)壓差控制是保證安全防護(hù)屏障的關(guān)鍵指標(biāo)，要使?jié)崈羰业呢?fù)壓梯度得到穩(wěn)定可靠的控制，就必須對潔凈室的壓差實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測[2-3]。本文基于GSM/GPRS無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了潔凈室壓差監(jiān)測系統(tǒng)，GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線組網(wǎng)方式是在原有工業(yè)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上，以GPRS無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，既省去了有線網(wǎng)絡(luò)的布線成本，又增強(qiáng)了組網(wǎng)方式的靈活性和可擴(kuò)充性[4]。最重要的是通過GSM功能可以實(shí)現(xiàn)短消息提醒功能，在潔凈室壓差控制不符合規(guī)定時(shí)，通知相關(guān)實(shí)驗(yàn)室人員及時(shí)做好防護(hù)措施，能有效避免安全事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測裝置和遠(yuǎn)程控制中心上位機(jī)系統(tǒng)組成?，F(xiàn)場監(jiān)測裝置包括高精度空氣壓差傳感器和無線遠(yuǎn)程通訊裝置，其中，空氣壓差傳感器選用了霍尼韋爾DPT52型，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過變送器由RS485串行總線匯總傳送給通訊裝置。通訊裝置通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送給工業(yè)以太網(wǎng)服務(wù)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短消息提醒功能。遠(yuǎn)程控制中心上位機(jī)基于FameView組態(tài)軟件編程實(shí)現(xiàn)PLC控制和系統(tǒng)監(jiān)測，采用S7TCP通訊驅(qū)動和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。整套監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，可擴(kuò)展性強(qiáng)，而且與工業(yè)以太網(wǎng)和PLC工業(yè)控制系統(tǒng)有效地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了與工業(yè)控制系統(tǒng)的兼容，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

2 無線通訊裝置設(shè)計(jì)

無線通信裝置主要實(shí)現(xiàn)傳感器信息的接收和遠(yuǎn)傳。使用ATmega128微處理器作為主控芯片，結(jié)合RS485總線技術(shù)和GSM/GPRS無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木_性，無線通訊裝置還設(shè)計(jì)有物理地址撥碼器，通過撥碼器對每個(gè)通訊裝置定義不同的物理地址，再對路由器進(jìn)行端口映射配置，就能允許特定的通訊裝置向工業(yè)以太網(wǎng)的某臺電腦發(fā)起連接，設(shè)定準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸線路。通訊裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 通訊裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of communication module

2.1 通訊裝置主控單片機(jī)

系統(tǒng)選用由ATMEL公司研發(fā)出的RISC精簡指令集高速AVR 8位單片機(jī)ATmega128作為主控芯片。該單片機(jī)具有增強(qiáng)性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測和校驗(yàn)偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調(diào)整定位、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能。提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，加之AVR單片機(jī)指令執(zhí)行速度高，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊。

2.2 GSM/GPRS無線通訊裝置

系統(tǒng)選用了SiemensMC55iT型三頻GSM/GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換和短信發(fā)送功能。具有普通GSM模塊的通話、短信、電話簿管理、CSD（電路交換數(shù)據(jù)）傳輸功能和無線GPRS傳輸功能，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持標(biāo)準(zhǔn)ITU-T的AT命令集，微處理器可通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成TCP/IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送[5]。

2.3 其他輔助模塊選型

系統(tǒng)時(shí)鐘芯片選用PCF8563，通過I2C總線與單片機(jī)相連，內(nèi)部集成有振蕩器電容片、內(nèi)電源復(fù)位功能和掉電檢測器，并配有電池，可以保證備份電源切換時(shí)數(shù)據(jù)不丟失。外部存儲芯片使用低功耗串行E2PROM芯片AT24C1024W，通過I2C總線與STC15L2K60S2相連，用于保存控制程序、系統(tǒng)參數(shù)、電話號碼，實(shí)現(xiàn)端口的掉電保護(hù)功能。

2.4 單片機(jī)RS485通訊技術(shù)

在工業(yè)控制等環(huán)境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用RS232總線通訊時(shí)經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號傳輸錯誤，而且傳輸距離短[6]。為了解決上述問題，本系統(tǒng)選用了RS485總線，可以有效增大生物潔凈室壓差信息檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，增強(qiáng)了傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性。

RS485接口電路如圖3所示，系統(tǒng)選用了低功耗MAX485芯片，為半雙工模式。該芯片具有短路電流限制功能，并可以通過熱關(guān)斷電路將芯片輸出設(shè)置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。同時(shí)接收器還具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入為開路時(shí)可以確保邏輯高電平輸出，并集成了有效的ESD保護(hù)措施。

為了更加可靠地保護(hù)RS485網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)安全，對接口電路使用了光電隔離的連接方式，在屏蔽雙絞線輸入端使用6.8 V穩(wěn)壓管進(jìn)行鉗位，用來保護(hù)MAX485芯片，避免RS485收發(fā)器被RS485總線在受外界干擾（雷擊、浪涌）時(shí)產(chǎn)生的高壓損壞。并通過在輸入端加入LC濾波電路來提高電路的EMI性能，避免信號干擾。為提高RS485節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的可靠性和RS485網(wǎng)絡(luò)失效保護(hù)功能，在電路中接收端加入連接至A引腳的上拉電阻R7和連接至B引腳的下拉電阻R9，如圖3所示，用于保證無連接的MAX485芯片處于空閑狀態(tài)。另外，電路中光耦器件的速率將會影響RS485電路的通訊速率，本系統(tǒng)中的光電隔離器件選用了超高速光耦PS9614芯片，其傳輸速率可以達(dá)到10 Mb/s，可以完全滿足傳輸速率要求。

圖3 隔離式RS-485接收電路Fig.3 Isolated RS-485 receiver circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 通訊裝置軟件設(shè)計(jì)

通信裝置主要實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸、SMS短消息提醒、與PC機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。首先是進(jìn)行通信裝置的初始化和模式選擇：

1）GPRS模塊初始化：IP、端口設(shè)置、用戶端手機(jī)號碼、短信中心號碼初始化，GPRS網(wǎng)絡(luò)初始化；

2）緩沖區(qū)初始化：MODBUS報(bào)文緩沖區(qū)初始化、SMS短消息緩沖區(qū)初始化、裝置物理地址初始化；

3）模式選擇：通信模式（GPRS數(shù)據(jù)傳輸、SMS短消息發(fā)送），配置模式（IP和端口配置模式、數(shù)據(jù)處理傳輸模式）等。

完成系統(tǒng)初始化后，單片機(jī)通過MAX485接口芯片讀取485總線數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析將此數(shù)據(jù)與潔凈室壓差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，再通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)給工業(yè)以太網(wǎng)對應(yīng)的路由器，若房間壓差數(shù)據(jù)不符合規(guī)范，則模塊通過SMS發(fā)送告警短消息給相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員，具體工作流程如圖4所示。

圖4 通信裝置程序流程圖Fig.4 Flow chart of communication module program

其中GPRS數(shù)據(jù)傳輸和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸遵循MODBUS協(xié)議，其協(xié)議格式如表1所示。數(shù)據(jù)域內(nèi)容為數(shù)據(jù)點(diǎn)號（2Bytes）+數(shù)據(jù)長度（1Byte）+數(shù)據(jù)（變長）+時(shí)間戳（6Bytes：年低 2 位/月/日/時(shí)/分/秒），CRC校驗(yàn)域內(nèi)容為CRC校驗(yàn)碼高8位+CRC校驗(yàn)碼低8位。

表1MODBUS協(xié)議格式Tab.1 Modbus communication agreement

3.2 網(wǎng)絡(luò)異常情況處理

由于在工業(yè)環(huán)境下系統(tǒng)容易受到其他電力線路的強(qiáng)電磁干擾，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)的通信過程中會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象，所以在通訊裝置與上位機(jī)的通訊過程中采用了通訊冗余的機(jī)制。同時(shí)，為了增加通信的可靠性，保證GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在線，系統(tǒng)使用GPRS模塊提供的“心跳包”功能，每隔一段時(shí)間向監(jiān)測中心服務(wù)器發(fā)送一個(gè)TCP數(shù)據(jù)包，以確保網(wǎng)絡(luò)連接不斷線。若配網(wǎng)通訊裝置在90 s內(nèi)沒有接收到“心跳包”，說明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)異常。網(wǎng)絡(luò)異常發(fā)生30 s后，配網(wǎng)通訊裝置能夠自動斷開GPRS網(wǎng)絡(luò)并重新連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，若重新連接網(wǎng)絡(luò)失敗則說明模塊可能出現(xiàn)問題，此時(shí)應(yīng)重啟模塊恢復(fù)連接。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)使用FameView組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測與PLC控制系統(tǒng)的結(jié)合，F(xiàn)ameView軟件集數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理于一體，它使用結(jié)構(gòu)化組態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定，通訊及運(yùn)行速度快。而且FameView具有自主的S7TCP和S7COM通訊驅(qū)動，可以直接使用計(jì)算機(jī)中的普通網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)通訊，設(shè)置簡單易于實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)場運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 上位機(jī)部分現(xiàn)場監(jiān)控界面Fig.5 PC monitoring interface

4結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場的安裝與運(yùn)行，監(jiān)測系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)生物潔凈室壓差實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、可擴(kuò)充性強(qiáng)、投資少、維護(hù)簡便等特點(diǎn)。并且在潔凈室壓差不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)能及時(shí)通過發(fā)送短消息通知相關(guān)實(shí)驗(yàn)室人員，使得實(shí)驗(yàn)員能夠做出及時(shí)有效的應(yīng)對措施，預(yù)防可能產(chǎn)生的危害。隨著中國GMP標(biāo)準(zhǔn)的公布實(shí)施，愈來愈多的依賴于在凈化區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)和裝配自己產(chǎn)品的企業(yè)，對生產(chǎn)工藝潔凈的生產(chǎn)環(huán)境提出了更高的要求，以確保關(guān)乎產(chǎn)品成品率和產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的必備條件，在制藥廠、醫(yī)院乃至實(shí)驗(yàn)室等對于環(huán)境要求較為嚴(yán)格的場所，更是對潔凈的室內(nèi)環(huán)境提出了極高的要求[2]。因此，房間靜態(tài)壓差梯度作為保證安全防護(hù)屏障的關(guān)鍵指標(biāo)，其實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)將具有廣闊的應(yīng)用前景。

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