基于QT/Embedded的動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

黃永紅，成小東，吳紅生

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

隨著現(xiàn)代生物工程技術(shù)的發(fā)展，細(xì)胞工程涉及的基本技術(shù)也在不斷地進(jìn)步。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)作為細(xì)胞工程的重要類別之一，其在藥物生產(chǎn)方面具有重要價(jià)值。懸浮培養(yǎng)方式具有細(xì)胞增殖快、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)疫苗的主流技術(shù)，以動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的生物制藥產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展[1]。動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過程是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過程，涉及細(xì)胞的生長、繁殖和代謝，是一個(gè)典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合的工業(yè)過程[2]。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的過程，若操作不當(dāng)，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，嵌入式技術(shù)已普遍應(yīng)用于汽車、航空、智能家居等領(lǐng)域以及各種電子產(chǎn)品中。嵌入式圖形用戶界面GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種簡便、直觀的人機(jī)交互接口，使用戶可以方便的使用嵌入式產(chǎn)品[3-4]。通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展使得無線通信技術(shù)獲得普遍應(yīng)用，GPRS網(wǎng)絡(luò)就是其中一種無線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸速度快，通信質(zhì)量高[5]。在此，采用ARM-Linux嵌入式技術(shù)和GPRS無線通訊技術(shù)，組建了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用QT/Embedded進(jìn)行嵌入式GUI的開發(fā)，控制系統(tǒng)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、分析，當(dāng)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，管理人員選擇相應(yīng)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)過程的遠(yuǎn)程控制。

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of system

在生產(chǎn)現(xiàn)場下位機(jī)（ARM）控制系統(tǒng)采用相應(yīng)的傳感器在線檢測反應(yīng)器內(nèi)溫度、pH值、溶解氧以及攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速等環(huán)境參數(shù)，然后控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而達(dá)到控制動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的目的。

上位機(jī)（PC）監(jiān)控系統(tǒng)軟件在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心運(yùn)行，可以實(shí)時(shí)顯示反應(yīng)器內(nèi)的溫度、pH值、溶解氧和攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速等環(huán)境參數(shù)，如果環(huán)境參數(shù)值超過限定值，則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并通知管理人員，通過監(jiān)控界面可以直觀地觀測到反應(yīng)器內(nèi)各參數(shù)的變化情況。當(dāng)需要對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行查詢時(shí)，監(jiān)控中心通過向生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)送查詢數(shù)據(jù)包，S3C2440處理器會(huì)解析到達(dá)的查詢數(shù)據(jù)包，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。另外，監(jiān)控軟件具有存儲(chǔ)功能，便于管理人員日后查看分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的數(shù)字化控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，主要由微處理器模塊（CPU）、存儲(chǔ)器模塊、GPRS無線傳輸模塊、傳感器采集模塊、LCD顯示模塊、JTAG調(diào)試接口及串口等部分組成。所設(shè)計(jì)的動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程數(shù)字控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件原理Fig.2 Hardware principle

現(xiàn)場監(jiān)測終端采用ARM9處理器，通過GPRS無線傳輸模塊連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。存儲(chǔ)器模塊用于存放調(diào)試好的應(yīng)用程序和嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及采集到的數(shù)據(jù)，傳感器模塊用于采集反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，LCD顯示模塊用于顯示系統(tǒng)的相關(guān)信息，JTAG接口用于編程人員仿真調(diào)試程序。

2.1 微處理器

系統(tǒng)采用Samsung 公司的S3C2440微處理器[6]作為數(shù)字控制單元。該芯片是以ARM920T為核心、擁有1個(gè)16/32位RISC的微處理器，主頻可達(dá)400 MHz，低功耗、高性能，具有豐富的片上資源，在開發(fā)的過程中可以有效減少外圍的設(shè)備部件，降低系統(tǒng)的成本，縮短開發(fā)周期。

2.2 數(shù)據(jù)檢測與控制模塊

在生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測和控制是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)的檢測由溫度傳感器、pH電極、溶氧電極和電機(jī)測速元件等組成，將這些模塊的輸出信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后用1片CD4051作為多路選擇開關(guān)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行選擇，最后使用增益放大器AD526調(diào)節(jié)模擬電壓信號(hào)幅度，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入S3C2440。S3C2440的CMOS模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC可接收8個(gè)通道的模擬信號(hào)輸入，并將其轉(zhuǎn)換為10位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在2.5 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500 kS/s[7]，可以滿足系統(tǒng)要求。

控制部分由溫度控制、pH控制、溶解氧控制、攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和補(bǔ)料控制等組成。溫度控制通過電磁閥進(jìn)行加熱冷卻的控制，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度高于（或低于）某個(gè)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)開啟冷卻水電磁閥（或開啟加熱器），以達(dá)到對(duì)反應(yīng)器內(nèi)溫度的控制。pH控制通過pH電極與蠕動(dòng)泵的聯(lián)動(dòng)來控制酸堿的加入，當(dāng)pH值大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)開啟加酸蠕動(dòng)泵進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)pH值小于設(shè)定值時(shí)，則啟動(dòng)加堿蠕動(dòng)泵。

影響溶解氧濃度的因素主要有供給的空氣量、攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)酵罐壓力，可以通過調(diào)節(jié)無菌空氣的加入速度和攪拌速度來進(jìn)行溶氧控制。消泡控制由消泡電極和添加消泡劑的蠕動(dòng)泵組成，當(dāng)消泡電極檢測到泡沫過多，則開啟蠕動(dòng)泵，以一定的流量加入消泡劑。補(bǔ)料控制由添加營養(yǎng)液的蠕動(dòng)泵組成。為避免系統(tǒng)故障，對(duì)環(huán)境參數(shù)的控制也可采用手動(dòng)方式。

2.3 GPRS通信模塊

通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，它為現(xiàn)場監(jiān)測終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間建立通訊鏈路并為數(shù)據(jù)的傳輸與通信的暢通提供可靠保證。常用的無線通信技術(shù)中，藍(lán)牙、紅外、WiFi及ZigBee等技術(shù)均應(yīng)用于短距離傳輸[8]，而本控制系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要有遠(yuǎn)程通信的網(wǎng)絡(luò)。GPRS可以在移動(dòng)用戶與遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸具有永遠(yuǎn)在線、快捷登陸、高速傳輸、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)選用內(nèi)置TCP/IP協(xié)議的GTM900-C模塊[9]，利用基于TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)透傳功能進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。該模塊為華為公司的GPRS模塊，支持上行42.8 kb/s和下行85.6 kb/s的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，GTM900-C通過UART接口與S3C2440處理器進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收、基帶信號(hào)以及音頻信號(hào)的處理等功能都是通過AT命令集來實(shí)現(xiàn)的。GTM900-C不僅支持MO和MT、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和小區(qū)廣播、TEXT和PDU短消息等消息功能，而且支持PPP，UDP，TCP/IP的GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，語音業(yè)務(wù)支持FR，EFR，HR和AMR的語音編碼，完全適合本設(shè)計(jì)所要求的GSM短消息、GPRS數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程中心通信的實(shí)時(shí)可靠的設(shè)計(jì)要求。GTM900-C的接口電路原理如圖3所示。

圖3 GTM900-C接口電路原理Fig.3 Principle of GTM900-C interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括了操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序軟件設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)又包括引導(dǎo)裝載程序BootLoader、Linux內(nèi)核、各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)。應(yīng)用層軟件通過應(yīng)用程序編程接口API與系統(tǒng)層進(jìn)行信息交互，系統(tǒng)層則通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制S3C2440設(shè)備與其他外設(shè)。系統(tǒng)軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)Fig.4 System software hierarchy

（1）BootLoader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運(yùn)行的一段小程序，類似于Windows系統(tǒng)啟動(dòng)前的BIOS程序。嵌入式系統(tǒng)通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備，建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

（2）Linux內(nèi)核是整個(gè)嵌入式軟件的核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。內(nèi)核以獨(dú)占的方式執(zhí)行最底層任務(wù)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)內(nèi)核屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個(gè)備份文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作[10]。

（3）QT/Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發(fā)工具QT的嵌入式版本，通過Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互，擁有較高的運(yùn)行效率，整體采用面向?qū)ο缶幊?，擁有良好的體系架構(gòu)和編程模式。

結(jié)合動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的實(shí)際情況，該控制系統(tǒng)主要完成以下功能：下位機(jī)完成環(huán)境參數(shù)（反應(yīng)器內(nèi)溫度、pH值、溶解氧和攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速等）的采集和處理后，通過GPRS無線模塊GTM900-C將現(xiàn)場數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程中心連接，并實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后由遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；上位機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并通過控制下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)過程的控制，上位機(jī)中通過操作圖形界面及多層菜單，能夠選擇各種操作功能，包括設(shè)置限定值、顯示過程數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)等。下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

圖5 下位機(jī)控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)流程Fig.5 Flow chart of lower computer control system and upper computer monitoring system

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境為QT，它能在桌面與嵌入式平臺(tái)上開發(fā)先進(jìn)的GUI應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)所需要的功能，QT以其友好的圖形界面、優(yōu)良的跨平臺(tái)的特性以及良好的信號(hào)與槽機(jī)制，廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域GUI設(shè)計(jì)。QT/Embedded是專門用于嵌入式開發(fā)平臺(tái)上的QT嵌入式版本，具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性；模塊化程度高、封裝性好，便于重用；豐富的API；支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL等[11]。

數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元DTU接入中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS DTU是專門用于將串口數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的GPRS無線設(shè)備，其內(nèi)部封裝了PPP撥號(hào)協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，具備GPRS撥號(hào)上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信的功能。

在GPRS DTU中放入1張SIM卡，DTU上電后先注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后與數(shù)據(jù)中心建立連接，GPRS DTU自帶自動(dòng)心跳功能，能夠保持通信連接一直存在而不被斷開[12]。連接成功后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)透傳模式，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的管理人員通過對(duì)所監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析，根據(jù)需要使用監(jiān)控軟件通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的操作命令，下位機(jī)收到由監(jiān)控中心發(fā)來的命令后，調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的遠(yuǎn)程控制。

本質(zhì)上DTU和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心建立的連接是SOCKET連接，QT中提供的SOCKET完全使用類的封裝機(jī)制，采用QT本身的信號(hào)與槽機(jī)制，管理人員無需接觸底層的各種操作，非常直觀。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面Fig.6 Monitor main interface

動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程監(jiān)控主界面實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，可以選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，還可以完成參數(shù)設(shè)置、查看報(bào)警記錄、歷史曲線等操作。圖7所示為系統(tǒng)的控制回路界面，可以對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行控制。圖8所示為pH值的歷史曲線，便于管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖7 控制界面Fig.7 Control interface

圖8 歷史曲線Fig.8 Historical curve

5 結(jié)語

結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)、現(xiàn)代檢測和傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS無線通信方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程的遠(yuǎn)程控制，在生產(chǎn)現(xiàn)場下位機(jī)控制系統(tǒng)選擇具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式微處理器S3C2440作為數(shù)字控制器，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于QT/Embedded開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，方便管理人員分析和控制，提高了動(dòng)物細(xì)胞懸浮培養(yǎng)過程自動(dòng)化水平，節(jié)省了大量的人力和物力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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