基于IoT控制的便攜式血液運(yùn)輸恒溫箱

馬子薇,李錫哲，宋 濤，徐曉輝

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

1 引言

傳統(tǒng)的血液恒溫箱主要有壓縮機(jī)制冷-電熱加溫恒溫箱和蓄冷型恒溫箱兩種。壓縮機(jī)制冷-電熱加溫恒溫箱由于采用傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷，一般具有體積大、不易攜帶、有振動和噪聲、對電源要求嚴(yán)格、溫度波動范圍大、不能臥放等缺陷。而蓄冷型恒溫箱由于主要采用低溫相變蓄冷材料蓄冷，溫度難以準(zhǔn)確控制、恒溫時(shí)間有限。

傳統(tǒng)的血液恒溫箱可以滿足日常醫(yī)療對于血液存儲的需求，但在如地震、泥石流的突發(fā)事件面前往往束手無策。由于突發(fā)事件發(fā)生后環(huán)境因素的制約，需要一款輕便易攜、溫度范圍容易控制、恒溫時(shí)間較長、獲取信息及時(shí)的血液運(yùn)輸箱。因此，通過半導(dǎo)體制冷技術(shù)將恒溫箱體積減小，并引入了IoT技術(shù)、GPS/BDS系統(tǒng)、網(wǎng)頁制作技術(shù)，使這款恒溫箱具有了顯示運(yùn)輸信息、可遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

2 方案設(shè)計(jì)

基于IoT控制的便攜式血液運(yùn)輸恒溫箱，利用TEC1-12706半導(dǎo)體片進(jìn)行制冷/制熱、IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)頁制作技術(shù)顯示信息、GPS/BDS模塊進(jìn)行位置追蹤、GPRS傳輸芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、STM32F103嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、鋰電池輔以太陽能電池板進(jìn)行供電。最終實(shí)現(xiàn)工作溫度調(diào)節(jié)范圍-18 ℃～24 ℃，溫度控制精度達(dá)±0.5 ℃，降溫及升溫速率≥5.0 ℃/min。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 設(shè)計(jì)原理

3.1 半導(dǎo)體制冷

3.1.1 主要原理

半導(dǎo)體制冷技術(shù)，又名熱電制冷技術(shù)，其主要原理是帕爾貼效應(yīng)。對于PN結(jié)來說，帕爾貼效應(yīng)指的是直流電流過導(dǎo)致在結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。如圖2所示，利用三片金屬板和由PN結(jié)構(gòu)成的電偶臂組成熱電偶，通以由N流向P的電流，其中兩片金屬板放熱，另外一片金屬板吸熱。將半導(dǎo)體制冷片吸熱的一端朝向恒溫箱內(nèi)部，放熱的一端與散熱片相連，通過控制電流流向?qū)崿F(xiàn)制冷與炙熱的調(diào)節(jié)，控制電流強(qiáng)弱控制溫度改變的速率。

圖2 帕爾貼效應(yīng)原理

3.1.2 制冷片選取

由于制冷片制冷效率不高，如果要獲得較好的制冷效果，可以從以下3個(gè)方面進(jìn)行提升。

(1)提高冷熱面的溫差。即加大熱端散熱器的散熱面積，提高散熱風(fēng)扇的氣流量——加大功率，提高風(fēng)速，加大葉片面積等，或者改用水冷方式也可以。

將制冷片的一面與散熱片相連，同時(shí)采用水冷式換熱類型，通入水進(jìn)行降溫。

(2)提高工作電壓與電源功率。制冷片一般標(biāo)準(zhǔn)工作電壓在12V左右，可以提升至15V。但是提升電壓，會加大散熱器負(fù)荷，散熱效果變差，制冷片壽命減少。最終我們選擇12V工作電壓。

(3)采用更大型號的制冷片。制冷片尾數(shù)越大，電流越大，功率越大。但是單純增大功率并不可取，應(yīng)該留有余量，保證壽命與穩(wěn)定性。

在半導(dǎo)體制冷片的選取上，通過比較TEC1-12703、TEC1-12706和TEC1-12708三種型號制冷片在最大溫差、12V電壓下工作電流和制冷功率，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益、制冷要求，最后選擇了TEC1-12706制冷片，并且采用六片制冷片疊加的方式，增加制冷效率(表1)。

表1 不同型號制冷片參數(shù)對比

3.1.3 制冷結(jié)果

保證12 V電壓，環(huán)境溫度保持在27 ℃左右，在10 min左右的時(shí)間，恒溫箱內(nèi)溫度下降到18 ℃。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things,簡稱IoT)，即物物相聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上將客戶端延伸和拓展到了物品和物品之間而進(jìn)行信息的感知、傳遞和處理的技術(shù)。本項(xiàng)目利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對血液運(yùn)輸恒溫箱的科學(xué)化管理，達(dá)到優(yōu)化資源配置、降低生產(chǎn)管理成本的目的。

通過對箱內(nèi)溫度、箱體位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而獲取血液狀態(tài)、急救地點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息。這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁直觀明了地顯示出來，便于醫(yī)護(hù)人員對血液運(yùn)輸、應(yīng)急救援的遠(yuǎn)程監(jiān)控?？梢栽卺t(yī)院實(shí)時(shí)觀察運(yùn)輸或救援過程中恒溫箱的DS18B20傳感器采集的溫度信息和BDS/GPS采集的位置信息。這使血液運(yùn)輸恒溫箱的狀態(tài)不再只是被攜帶的醫(yī)護(hù)人員感知、改變。

3.3 溫度控制算法設(shè)計(jì)

3.3.1 常規(guī)PID控制與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對溫度控制的準(zhǔn)確性和有效性，本恒溫箱采用了PID控制算法。PID控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域具有接受度高、應(yīng)用廣泛、性能穩(wěn)定、操作容易的特點(diǎn)。PID控制有三個(gè)基本要求：比例(proportional)、積分(integral)和微分(derivative)。

在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)PID控制的原理如下：先設(shè)定一個(gè)溫度值，并將溫度傳感器PT100采集到的箱內(nèi)溫度信息設(shè)為c(t)。再將給定值與實(shí)際值相減得到控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-c(t)。然后對偏差進(jìn)行比例、積分和微分的線性組合運(yùn)算，得到控制量u(t)，將其輸入到受控對象進(jìn)行控制。其連續(xù)公式為：

(1)

式(1)中：KP是比例系數(shù)，TI是積分時(shí)間常數(shù)，TD是微分時(shí)間常數(shù)。

然而由于模擬PID控制器的輸入輸出均為模擬量，當(dāng)使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制算法時(shí)則要求輸入輸出均為數(shù)字量。此時(shí)可以通過離散化的方法將其轉(zhuǎn)化為差分方程：

(2)

式(2)中：T為采樣周期，k為采樣序號，u(k)為第k次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)的輸出值，e(k)為第k次采樣時(shí)輸入的偏差值。

此時(shí)將一階微分用一階差分替代，將積分用累加和替代。

再將差分方程進(jìn)行Z變換，最終得到：

(3)

圖3 PID控制原理

3.3.2 模糊PID控制

雖然常規(guī)PID控制原理簡潔且具有較好的魯棒性，但是對于系統(tǒng)模型參數(shù)要求較高。在面對具有如延時(shí)、滯后、非線性等復(fù)雜特性的受控對象時(shí)，系統(tǒng)的控制性能明顯下降。顯然，對于溫度精確度要求較高的恒溫箱來說，常規(guī)PID技術(shù)不能滿足控制方面的需求。由此引入較為較為先進(jìn)的控制算法——模糊PID控制。

模糊PID控制在傳統(tǒng)的PID控制基礎(chǔ)上加入了模糊推理機(jī)制，因而對受控對象的時(shí)滯性、非線性具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)的控制性能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于本恒溫箱的溫度控制需求，引入溫度誤差e和溫度誤差變化率ec，將溫度誤差和溫度誤差變化率通過給定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，從而實(shí)現(xiàn)對原來的比例系數(shù)KP、積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD的調(diào)整，能較好地適應(yīng)外界環(huán)境的變化。

3.4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件模塊主要由電源模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制模塊、制冷制熱模塊、外部輸入模塊及顯示模塊組成。以STM32F103作為處理器，通過DS18B20和PT100組成的傳感器模塊傳輸溫度，采用GPRS通訊模塊的SIM900A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終將信息顯示在LCD液晶屏上。

3.4.1 電源模塊

電源模塊由兩部分組成——直交流轉(zhuǎn)換裝置和太陽能電池板。

直交流轉(zhuǎn)換裝置。將220 V，50 Hz的市電通過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為12 V的直流電，最終通過鋰電池存儲電能從而給恒溫箱供電。

太陽能電池板。由于本恒溫箱主要應(yīng)用于突發(fā)事件中的血液運(yùn)輸，所以周圍環(huán)境條件相對比較惡劣，僅僅依靠USB接口和鋰電池組恐怕難以長時(shí)間維持恒溫箱的正常工作，而太陽能電池板正好彌補(bǔ)了這一缺陷。采用單晶硅太陽能電池板，通常情況下光電轉(zhuǎn)換效率為18%左右，在所有種類太陽能電池中轉(zhuǎn)換效率最高。此外，單晶硅太陽能電池板還具有堅(jiān)固耐用、綠色環(huán)保、易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)(表2)。

表2 單晶硅太陽能電池板參數(shù)

3.4.2 傳感器模塊

采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20溫度傳感器集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，可以直接輸出數(shù)字量，工作電壓范圍為3～5.5 V測量范圍為-55～+125 ℃，通過內(nèi)部編程可以實(shí)現(xiàn)9/10/11/12位四中溫度檢測分辨率。其與單片機(jī)組成的硬件電路結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低(表3)。

表3 DS18B20數(shù)據(jù)輸出與對應(yīng)溫度值

3.4.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由單片機(jī)和GPRS通訊模塊構(gòu)成。單片機(jī)采用STM32，進(jìn)行主控；GPRS通訊模塊采用SIM900A模塊，通過接收主站指令、根據(jù)主站指令返回相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。

由SIMCOM公司出品的SIM900A模塊，工作頻段為雙頻900/1800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；支持5～24 V工作范圍，方便與產(chǎn)品連接；采用SMT封裝，易于生產(chǎn)加工；TTL電平串口自適應(yīng)兼容3.3 V和5 V單片機(jī)，可以直接連接STM32單片機(jī)；待機(jī)模式電流18 mA左右，休眠狀態(tài)可設(shè)置在2 mA左右的低功耗。

3.4.4 控制模塊

控制模塊由STM32F103 微控制器及其最小系統(tǒng)組成，是一款32位的單片機(jī)芯片。具有72 MHz較高速率的晶振，內(nèi)嵌4～MHz高速晶體振蕩器；FLASH的存儲量高達(dá)256KB，CPU能以0等待周期訪問；擁有7個(gè)定時(shí)器，其中16位定時(shí)器有3個(gè)；電源電壓在2.0～3.6 V間；擁有80個(gè)快速多功能雙向5 V兼容I/O口；通信端口多達(dá)9個(gè)。

通過STM32F103 微控制器不僅可以在上電后控制各個(gè)模塊開始工作，還可以判斷采集到的數(shù)據(jù)信息，從而對相應(yīng)的控制電路做出反應(yīng)。

3.4.5 外部輸入及顯示模塊

外部輸入模塊即鍵盤，使醫(yī)護(hù)人員可以直接對巡夜運(yùn)輸箱進(jìn)行設(shè)置和操作。鍵盤的每個(gè)按鍵信號與STM32的PA口連接，將按下按鍵、彈起按鍵與電容的充放電結(jié)合在一起，從而控制電平的高低，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)功能的控制。

顯示模塊包含LCD液晶顯示屏及相應(yīng)模塊，可以將采集到的數(shù)據(jù)信息以數(shù)字形式顯示出來。數(shù)據(jù)信息主要包括各個(gè)模塊的工作狀態(tài)——DS18B20、ATCM332D、SIM900A，以及箱體位置信息——經(jīng)緯度，內(nèi)外部溫度信息和控制模式。主要利用具有圖形點(diǎn)陣功能的HS12864顯示器，將其與STM32的PB口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

4 外觀設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了兩種便攜式血液運(yùn)輸恒溫箱，第一代恒溫箱箱體由EPP發(fā)泡板構(gòu)成。EPP又稱聚丙烯發(fā)泡樹脂，與其他保溫材料不同，具有高隔熱性能、高強(qiáng)度、高回彈性、耐沖擊、不易破損等優(yōu)良性能。其質(zhì)量小，便于攜帶，在緊急救援過程中，發(fā)揮著更加優(yōu)越的作用。箱體外部尺寸為395 mm×275 mm×310 mm(圖4)。

圖4 第一代恒溫箱實(shí)物

第二代恒溫箱為鋁皮材質(zhì)，周邊直角全鋁合金架，具有鐵包角，高密度多層鋁膜板材。采用鋁制外殼使恒溫箱不僅具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、外形美觀的特點(diǎn)，而且有利于制冷片的良好散熱，可以有效提高制冷片的工作效率。箱體外部尺寸為420 mm×300 mm×240 mm(圖5)。

箱體表面以白色為基本顏色，正面采用手捧血滴的紅色圖案，作為血液運(yùn)輸?shù)臉?biāo)志；人性化設(shè)計(jì)的提手，內(nèi)里弧度使得使用者在提箱時(shí)受到的阻力更??；高品質(zhì)壓鑄工藝生產(chǎn)的安全鎖扣，不掉色、強(qiáng)度大、安全、不生銹、更耐用。加固的對稱合頁設(shè)計(jì)符合使用的需要，合頁四角用鉚釘來加以固定使箱子牢固、支撐性好、安全；箱子底部采用4個(gè)圓柱形底座的設(shè)計(jì)，使箱子更加平穩(wěn)，平時(shí)還能有效防止箱底磨損。

圖5 第二代恒溫箱實(shí)物

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)針對現(xiàn)有血液運(yùn)輸恒溫箱種類和功能以及血液運(yùn)輸市場，主要應(yīng)用于突發(fā)事件后保障血液的運(yùn)輸。產(chǎn)品具有特定的使用范圍、專業(yè)性強(qiáng)，通過低壓直流電/鋰電池組供電，使產(chǎn)品能夠在高復(fù)雜、惡劣環(huán)境下正常工作，具有高可靠性與便攜性；基于TEC原理，采用半導(dǎo)體制冷片，使產(chǎn)品啟動時(shí)間短，溫度控制精密，能夠迅速進(jìn)入工作狀態(tài)；在恒溫箱的控制系統(tǒng)中引入IoT技術(shù)，使恒溫箱的各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器，并通過網(wǎng)頁直觀的顯示出來；在恒溫箱上安裝BDS、GPS系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)位置追蹤，優(yōu)化運(yùn)輸與配送效率；搭建服務(wù)器處理恒溫箱發(fā)送到服務(wù)器端數(shù)據(jù)，并在PhP環(huán)境中通過HTML及MYSQL技術(shù)制作網(wǎng)頁及相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，將相關(guān)信息直觀明了地展現(xiàn)出來。