無線藥倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

林曉松，林少芬，陳清林，朱兆一

(1.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門 361021)

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無線藥倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

林曉松1,2，林少芬1,2，陳清林1,2，朱兆一1,2

(1.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建廈門 361021)

針對藥品倉儲過程中溫濕度檢測點多、系統(tǒng)運行時間長等要求，采用多微處理器的系統(tǒng)結構設計溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)下位機模塊由多個溫濕度傳感器和微功率無線傳輸模塊組成，解決傳感器放置限制和布線等問題；PC機作為上位機，采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺。上位機通過串行口讀取各傳感器數(shù)據(jù)，同時向控制微處理器發(fā)送控制命令，控制空調(diào)和加濕機的工作；遠程客戶端通過以太網(wǎng)訪問上位機，獲取各種數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)。通過系統(tǒng)的軟硬件可靠性設計，解決系統(tǒng)不間斷工作的可靠性問題。試驗表明：系統(tǒng)溫度測量精度為0.01℃，濕度測量精度為0.05%RH，檢測點擴展方便。

無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)；藥倉；溫濕度傳感器節(jié)點；多測點數(shù)據(jù)采集；遠程通信；可靠性設計

0 引言

環(huán)境溫濕度是影響藥品儲存質量的重要因素之一，溫濕度過高或過低都會使藥品變質，危害到消費者安全。按照《藥品經(jīng)營質量管理規(guī)范》要求，在藥品存儲的倉庫中都要配備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，確保藥品質量安全。由于不同介質對熱的傳遞特性不一樣，對藥倉環(huán)境溫濕度的檢測點往往不止一個[1]。由于藥品堆積對傳感器布置和布線的限制，傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集方式無法滿足要求[2]。

APC300模塊是高度集成超低功耗微功率單向發(fā)射模塊，模塊采用了超低功耗單片機和高性能低功耗發(fā)射芯片，

內(nèi)置12bit高精度ADC，可以直接連接主流的各種數(shù)字與模擬傳感器。APC250模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，模塊嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高。APC300、APC250和數(shù)字式溫濕度傳感器相結合，無需額外的MCU和外圍器件，也無需編寫無線與傳感器部分的軟件,可實現(xiàn)對多點溫濕度的實時監(jiān)測,具有體積小、放置方便和操作簡單等優(yōu)點。文中采用APC300和數(shù)字溫濕度傳感器SHT11設計了溫濕度傳感器節(jié)點，通過APC250無線接收模塊以及串口轉USB模塊和PC機相連，實現(xiàn)多測點溫濕度實時監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)結構

藥倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)要求24 h無間斷工作，每隔1 min更新1次測點溫濕度數(shù)據(jù)，每隔30 min自動記錄1次實時溫濕度數(shù)據(jù)，且要求滿足本地聲光報警及遠程聲光報警功能。系統(tǒng)由溫濕度傳感器、無線傳輸模塊、上位機、下位機四部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

APC300將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后由內(nèi)嵌的發(fā)射芯片發(fā)射出去，APC250接收模塊接收數(shù)據(jù)并通過串行口發(fā)送到計算機，計算機實現(xiàn)藥倉溫濕度數(shù)據(jù)儲存、顯示、聲光報警和遠程通信等功能。發(fā)生報警時，計算機通過串口返回一個信號，通過控制微處理器的I/O口控制空調(diào)和加濕機的工作，進行溫濕度的調(diào)節(jié)。遠程客戶端利用以太網(wǎng)訪問上位機，獲取藥倉當前溫濕度數(shù)據(jù)和監(jiān)控狀態(tài)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 藥倉溫濕度傳感器節(jié)點設計

典型的傳感器節(jié)點由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲器以及射頻模塊等組成[3]。由于APC300模塊采用了超低功耗單片機和高性能低功耗發(fā)射芯片，用戶無需額外的MCU和外圍器件，也無需編寫無線與傳感器部分的軟件，可直接和各種數(shù)字傳感器相連。圖2表示APC300和SHT11接口電路。

圖2 APC300和SHT11接口電路

SHT11的供電電壓為2.4～5.5 V，傳感器上電后，需等待11 ms超越“休眠”狀態(tài)。電源引腳(VCC,GND)之間連接了一個104pF電容，用以去耦濾波。SHT11串行時鐘輸入(SCL)引腳和APC300 UART輸入口(AD1/RXD)連接，串行數(shù)據(jù)口(DATA)和APC300模塊使能腳(AD2/TXD)相連，數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。此外，APC300 AUX腳連接到SHT11的GND上，保持置低狀態(tài)。

2.2 空調(diào)、加濕機驅動電路設計

空調(diào)和加濕機的控制由單片機I/O口和光電耦合器組成的驅動電路完成，如圖3所示。

圖3 空調(diào)和加濕機驅動電路

圖中，發(fā)光二極管D1用來指示藥倉溫濕度狀況。當溫濕度越限時，上位機通過串口發(fā)送一個信號給控制微處理器，微處理器的P1.0口變?yōu)榈碗娖?，D1亮，光耦導通，雙向晶閘管也處于導通狀態(tài)，從而驅動空調(diào)或加濕機。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)總流程

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法，具有參數(shù)設置、溫濕度數(shù)據(jù)顯示和存儲、波形顯示、曲線記錄和聲光報警功能，人機界面友好，系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.1.1 參數(shù)設置

為了增加系統(tǒng)的靈活性，一些基本參數(shù)，如串口號、波特率、數(shù)據(jù)位以及溫濕度上下限，需要允許用戶自行設置。LabVIEW提供了配置文件模塊，通過對配置文件的讀寫可實現(xiàn)基本參數(shù)的設置和更新，如圖5所示。

圖5 參數(shù)設置后面板程序框圖

首先創(chuàng)建一個.ini文件，用于保存參數(shù)數(shù)據(jù)。當需要修改參數(shù)時，利用寫入鍵值模塊將新的參數(shù)值寫入.ini文件，并保存，則.ini文件里的內(nèi)容發(fā)生改變，并讀取出來顯示在界面上。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲和查詢

LabSQL將復雜的底層ADO(AetiveXDataobject)和SQL操作封裝成一系列的LabSQLVls，用戶可以通過調(diào)用子Vl的方式輕松實現(xiàn)對Access數(shù)據(jù)庫的訪問,簡單易用[4]。使用LabSQL對Access數(shù)據(jù)庫訪問的步驟是：首先建立一個Access數(shù)據(jù)源，用以描述用戶需要訪問的數(shù)據(jù)庫及參數(shù)設置；然后在ODBC上選擇數(shù)據(jù)源驅動和設置數(shù)據(jù)源參數(shù)；最后調(diào)用LabSQL子VI和編寫SQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的插入、刪除和查詢功能。

數(shù)據(jù)存儲時，由于系統(tǒng)要求每30 min記錄1次實時溫濕度數(shù)據(jù)，每1 min更新1次實時溫濕度數(shù)據(jù)顯示，為了解決數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲不同步問題，需另外創(chuàng)建1個數(shù)組，每次更新1次實時溫濕度數(shù)據(jù)顯示，則將之前數(shù)據(jù)放進數(shù)組里，此時數(shù)組指針加1，直到第30個數(shù)據(jù)時，利用索引數(shù)組提取該數(shù)據(jù)，并通過LabSQL其存進數(shù)據(jù)庫里，同時將數(shù)組指針清0。數(shù)據(jù)存儲的流程是：首先用ADO Connection Open.vi打開數(shù)據(jù)源，然后利用連接字符串模塊將監(jiān)測時間、監(jiān)測點名稱整合成一字符串輸入SQL Execute.vi中，并編寫SQL語句將溫濕度數(shù)據(jù)插入相應位置，最后關閉數(shù)據(jù)源。

數(shù)據(jù)查詢時，首先用ADO Connection Open.vi打開數(shù)據(jù)源，然后利用連接字符串模塊將測點、監(jiān)測時間起始和結束信息整合成一個字符串輸入ADO Command Set Command Text.vi中，調(diào)用ADO Command Execute.vi執(zhí)行命令，最后通過SQL Fetch Data.vi獲取查詢的數(shù)據(jù)并顯示于界面。用戶可以查詢?nèi)我庖粋€測點以及任意時間段內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，以便進行記錄和定期報告。

3.1.3 遠程通信

DataSocket技術是一項基于Microsoft的COM和ActiveX技術的一種編程工具,它面向網(wǎng)絡化測試，克服了傳輸速率慢的缺點,大大簡化了Internet 網(wǎng)上測控數(shù)據(jù)交換的編程[5]。由于DataSocket源于TCP /IP協(xié)議并對其進行了高度封裝，具有跨機器、跨語言、跨進程的實時數(shù)據(jù)共享功能，用戶只需知道數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿及需要交換的數(shù)據(jù)就可以直接進行高層應用程序的開發(fā),實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,而不必關心底層實現(xiàn)細節(jié),從而簡化了通信程序的編寫過程,提高了編程效率[6]。

為了實現(xiàn)遠程顯示和聲光報警功能，利用DataSocket技術對外提供的資源定位接口和功能調(diào)用接口，客戶端可通過資源定位符 URL對源地址進行定位。資源定位符 URL中包括了了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡計算機標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量，客戶端只需輸入和源地址一樣的IP地址，即可實現(xiàn)和遠程服務器之間的通信，如圖6所示。其中Dstp是DataSocket技術專門的通信協(xié)議，支持字符型、布爾型、整型和數(shù)組型等各種類型數(shù)據(jù)，其使用格式是dstp://計算機名或IP地址/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量。

圖6 DataSocket技術遠程通信

4 系統(tǒng)可靠性設計

目前，二次診斷和可靠性問題是監(jiān)測系統(tǒng)不可忽視和急需解決的問題[7]。為了使無線藥倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)滿足業(yè)主的可靠性要求，分別對系統(tǒng)硬件和軟件兩部分進行可靠性設計。

4.1 系統(tǒng)硬件可靠性設計

根據(jù)《SJ/T11141-2003 LED顯示屏通用規(guī)范》和參考文獻[8]得到系統(tǒng)各個器件失效率，并采用系統(tǒng)故障樹分析和蒙特卡羅法相結合方法進行仿真，可知溫濕度傳感器和藍牙模塊是系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)影響較大。系統(tǒng)采用非運行狀態(tài)備用冗余對溫濕度傳感器和藍牙模塊進行冗余設計，即用開關切斷故障部件電源的同時接通備用部件電源，使其投入運行，同時工作人員及時更換故障部件，減少了兩者故障對系統(tǒng)工作的影響。

4.2 系統(tǒng)軟件可靠性設計

4.2.1 數(shù)據(jù)接收可靠性設計

為了保證數(shù)據(jù)接收的準確性和可靠性，在數(shù)據(jù)接收程序設計中采取了如下措施：

(1) 設置溫濕度上下限，將采集數(shù)據(jù)與上下限比較，若越限則報警，并將數(shù)據(jù)摒棄，重新接收數(shù)據(jù)。

(2) 對于重要參數(shù)的輸入，要求進行多次確認；對于非法參數(shù)輸入，系統(tǒng)自動報警或自動復位。

4.2.2 遠程網(wǎng)絡通信可靠性設計

為了使上位機遠程通信過程不產(chǎn)生紊亂，采用阻塞式通信方式，達到通信雙方互鎖目的[9]。首先下位機輸入IP地址請求連接，只有連接成功后，上位機才開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，為保證數(shù)據(jù)正確發(fā)送到遠程PC機，上位機每發(fā)送一數(shù)據(jù)包，必須得到遠程PC機正確接收到數(shù)據(jù)的響應，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。遠程PC機接收到正確數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包進行解析，調(diào)用顯示子程序。

5 系統(tǒng)測試

接通直流電源，利用rfsensor軟件設置波特率、傳感器類型和數(shù)據(jù)采集時間，并為每個傳感器編號，以便數(shù)據(jù)采集程序的設計；打開LabVIEW程序，輸入用戶名和密碼進入監(jiān)測主界面，設置好串口號、波特率和溫濕度上下限，則系統(tǒng)正常運行。測試結果如圖7所示。

由上圖可看出，系統(tǒng)以溫濕度顯示和溫濕度曲線趨勢圖反應藥倉溫濕度狀況，每個監(jiān)測點采集5次則計算一次溫濕度平均值并顯示于界面上；溫濕度上下限可人為改動，當溫濕度越限時，報警燈將變亮且報警器發(fā)出報警聲；用戶通過選擇監(jiān)測點和監(jiān)測時間段可以查看歷史數(shù)據(jù)，以進行數(shù)據(jù)記錄和報告。遠程客戶端輸入上位機的IP地址，可以查看當前溫濕度數(shù)據(jù)和監(jiān)控狀態(tài)。經(jīng)測試，無線藥倉溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可以正常進行溫濕度監(jiān)測，具有較好的穩(wěn)定性和精確性。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測主界面

6 結束語

(1) 采用低功耗無線收發(fā)模塊APC250和APC250以及數(shù)字溫濕度傳感器SHT11設計溫濕度傳感器節(jié)點具有擴展方便、安裝位置靈活、功耗低、測量精度高以及穩(wěn)定性好等特點。

(2) 系統(tǒng)監(jiān)測界面友好，有良好的人機交互性，操作簡單，功能較全，實驗結果直觀。

(3) 采用DataSocket技術實現(xiàn)遠程溫濕度顯示和聲光報警功能，減少了冗余數(shù)據(jù)的傳遞，提高傳輸速率，滿足實時性要求。

[1] 鄧德源，王成棟，苗強.基于CAN總線的溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)設計.儀表技術與傳感器，2013(12): 40-42.

[2] 王翥，魏德寶，王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計.儀表技術與傳感器，2010(10): 45-48.

[3] 藍會立，羅功坤，廖鳳依，等.基于傳感器網(wǎng)絡的煙葉發(fā)酵溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)研制.計算機測量與控制，2013，21(4):910-912.

[4] 周歡，莫軍，李代生，等.基于LabSQL的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問功能研究.儀器儀表學報，2009，30(6):321-324.

[5] 程琴，盧博友，彭君建，等.基于DataSocket的風機遠程測試系統(tǒng)設計.微計算機信息，2008，24(9):110-112.

[6] 尹興波，馬海瑞，周愛軍.基于DataSocket技術的LabVIEW遠程測試.自動化與儀器儀表，2005(4):61-63,71.

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[8] 嚴龍，蘇永清，岳繼光.大型浮吊控制系統(tǒng)可靠性分析與仿真.艦船電子工程，2009(7):164-167.

[9] 陳惠濱，黃海.ATMega128 IAP技術在移動數(shù)據(jù)采集器中的應用.電子器件，2005，28(1):101-104,109.

Design and Implementation of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Drug Storehouse

LIN Xiao-song1,2,LIN Shao-fen1,2,CHEN Qing-lin1,2,ZHU Zhao-yi1,2

(1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China; 2.Key Laboratory of Ship and Ocean Engineering in Fujian Province,Xiamen 361021,China)

Aiming at the requirements of multi-points of temperature and humidity measurement and long time operation in the process of drug store,multiple microprocessors structure was used to design temperature and humidity monitoring system.The slave computer module of system included temperature and humidity sensors and micropower wireless transmitting modules,and the problems of limitation for sensors placed and wire layout were solved; The personal computer was adopted as the host one,and the software was developed in the platform of LabVIEW.The host computer obtained data from all sensors through the serial port,and meanwhile it sent the control command to the control microprocessor to control the operation of air conditioner and humidifier;The remote clients visited the host computer via Ethernet to obtain all data and control states.By means of the reliability design of the system’s hardware and software,the reliability problem of uninterrupted work of the system was solved.The results of experiment show that the measurement accuracies of temperature and humidity of the system is 0.01℃ and 0.05%RH separately,and the measurement points can be extended easily.

wireless temperature and humidity monitoring system; drug storehouse; temperature and humidity sensor node; data acquisition for Multi- measurement points; remote communication; reliability design

交通運輸部應用基礎研究項目(2014329815100)

2014-09-21 收修改稿日期：2015-02-17

TP274

A

1002-1841(2015)07-0077-04

林曉松(1990—)，研究生，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)。E-mail：825102733@qq.com

林少芬(1962—)，教授，博導，主要研究方向為機電液一體化的可靠性和仿真研究、精藝造船技術。E-mail：shaofenlin@163.com