基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是模擬自然氣候環(huán)境的重要設(shè)備，包括高低溫試驗(yàn)箱、恒溫恒濕箱、培養(yǎng)箱、冰箱、藥品保存箱等。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的溫濕度校準(zhǔn)是判斷環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)的重要保障。為確保環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，校準(zhǔn)需在設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行，整個(gè)檢測(cè)過程用時(shí)1.5～2 h左右。為保證設(shè)備工作環(huán)境穩(wěn)定，檢測(cè)過程中不能開合箱門。因而在工作時(shí)間內(nèi)對(duì)醫(yī)療單位的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備（如培養(yǎng)箱、干燥箱等）的檢測(cè)，將嚴(yán)重影響到醫(yī)療檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)營，越來越多的客戶提出了夜間等非工作時(shí)間對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)的要求[1，2]。隨著上海科創(chuàng)中心的建設(shè)、醫(yī)療非強(qiáng)檢設(shè)備校準(zhǔn)工作的開展，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的溫濕度校準(zhǔn)工作量逐年增加，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄分析功能的便攜式環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)亟待研發(fā)。

前期已開發(fā)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度傳感器，裝置采用ANT Wireless 通信技術(shù)，將溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至溫濕度接收節(jié)點(diǎn)[3]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合校準(zhǔn)實(shí)際需求，自主開發(fā)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，設(shè)計(jì)基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)?？蓪?duì)溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)兼顧溫濕度傳感器遠(yuǎn)程控制管理的功能。Spring Boot屬于Java平臺(tái)的一種開源應(yīng)用框架，集成大量的框架模塊，確保兼容性的同時(shí)節(jié)省了大量開發(fā)時(shí)間[4-6]。系統(tǒng)兼顧主要校準(zhǔn)規(guī)程、國家標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)為20臺(tái)以上環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程溫濕度檢測(cè)校準(zhǔn)。

1 軟件

1.1 整體架構(gòu)

基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程溫濕度數(shù)據(jù)信號(hào)接收功能、發(fā)送功能、數(shù)據(jù)分析功能、數(shù)據(jù)處理功能及數(shù)據(jù)記錄功能。系統(tǒng)與遠(yuǎn)程溫濕度傳感器間采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及控制。各溫濕度傳感器將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器主機(jī)，基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)讀取服務(wù)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理分析。通過系統(tǒng)，可以控制遠(yuǎn)程溫濕度傳感器的開關(guān)、測(cè)試間隔、測(cè)試時(shí)長，同時(shí)具有數(shù)據(jù)超范圍報(bào)警功能，方便檢測(cè)人員監(jiān)督。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)是檢測(cè)人員與遠(yuǎn)程溫濕度傳感器之間的橋梁，可同時(shí)控制300個(gè)遠(yuǎn)程溫濕度傳感器，同時(shí)為20臺(tái)以上環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)，可滿足7×24 h不間斷檢測(cè)需求。根據(jù)不同的校準(zhǔn)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇不同的測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出校準(zhǔn)、測(cè)試結(jié)果。如圖1所示。

圖1 溫濕度檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)成

基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)將超文本標(biāo)記語言（html）直接植入網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁界面直接登錄訪問，兼容計(jì)算機(jī)和手機(jī)的主瀏覽器登錄，不占本地內(nèi)存。軟件采用Spring Boot框架結(jié)構(gòu)，可以簡化新Spring應(yīng)用的初始搭建及開發(fā)過程。將通過監(jiān)聽串口收到的溫濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用戶通過網(wǎng)頁訪問數(shù)據(jù)庫，瀏覽、分析處理數(shù)據(jù)，如圖2所示。基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)分為登錄界面、數(shù)據(jù)概覽界面、傳感器監(jiān)控界面、傳感器配置界面四個(gè)界面。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

1.2 登錄界面

采用“用戶名＋密碼”方式登錄，后臺(tái)可根據(jù)需要設(shè)置用戶組、驗(yàn)證密碼，不設(shè)開源注冊(cè)功能，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。系統(tǒng)將自動(dòng)記錄每一名用戶的登錄情況，以備日后查閱。

1.3 數(shù)據(jù)概覽界面

該界面是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)設(shè)置的關(guān)鍵。檢測(cè)工程師可以根據(jù)需要，選擇啟動(dòng)的設(shè)備，系統(tǒng)最多可以支持接入300個(gè)遠(yuǎn)程溫濕度傳感器，并可根據(jù)需求進(jìn)行分組，每組對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試傳感器組，該組內(nèi)所有傳感器作為一個(gè)系列，將數(shù)據(jù)匯總在一起，最終形成一份測(cè)試報(bào)告。選擇設(shè)備后，可以通過列表看到該組設(shè)備所帶有的節(jié)點(diǎn)（傳感器）編號(hào)。

通過表格可以觀測(cè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)（傳感器）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可顯示當(dāng)前組內(nèi)各傳感器溫度（濕度）的最大值和最小值。

頁面還提供了校準(zhǔn)各類環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備所需的常見參數(shù)。

1）工作溫度（濕度）：測(cè)量期間，該傳感器溫度（濕度）值的算術(shù)平均值。

2）溫度（濕度）波動(dòng)：測(cè)量期間，該傳感器溫度（濕度）值的最大值－最小值。

3）溫度（濕度）差：同一時(shí)刻，各傳感器溫度（濕度）值的最大值－最小值。

選取設(shè)備后，檢測(cè)工程師將根據(jù)不同設(shè)備對(duì)應(yīng)的不同規(guī)程要求，選擇“數(shù)據(jù)采樣時(shí)間”（采樣總時(shí)長）和“測(cè)量時(shí)間間隔”（每兩次采樣的時(shí)間間隔），點(diǎn)擊“刷新傳感器數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)將開始記錄數(shù)據(jù)。

各溫濕度節(jié)點(diǎn)（傳感器）將所有溫濕度數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可根據(jù)檢測(cè)工程師需求更改測(cè)量時(shí)間間隔和測(cè)試時(shí)長，系統(tǒng)將根據(jù)對(duì)應(yīng)檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)的要求重新計(jì)算溫濕度差、工作溫濕度、溫濕度波動(dòng)等數(shù)據(jù)，出具相應(yīng)的報(bào)告。系統(tǒng)提供詳細(xì)數(shù)據(jù)下載功能，可以輸出TXT、Excel、SQL、XML等格式文本。

1.4 傳感器監(jiān)控界面

傳感器監(jiān)控界面可以監(jiān)控每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（傳感器）的實(shí)時(shí)工作情況并以圖表形式呈現(xiàn)。將數(shù)據(jù)讀取間隔分為：5 s、30 s、60 s、300 s。數(shù)據(jù)讀取間隔小于數(shù)據(jù)概覽界面中的測(cè)量時(shí)間間隔，滿足檢測(cè)工程師觀測(cè)各傳感器實(shí)時(shí)溫濕度的變化情況。記錄開始后，頁面會(huì)顯示當(dāng)前傳感器數(shù)量以及數(shù)據(jù)讀取間隔、每個(gè)傳感器的當(dāng)前溫度、濕度數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供柱狀圖、折線圖、列表等多種形式，滿足不同用戶的需求。系統(tǒng)有溫濕度超范圍報(bào)警功能，在配置頁面設(shè)置相應(yīng)的溫濕度閾值后，當(dāng)溫濕度超過該閾值，對(duì)應(yīng)的傳感器的監(jiān)控頁面中的溫濕度數(shù)據(jù)將高亮顯示，方便遠(yuǎn)程觀測(cè)溫濕度變化、超范圍等情況。

1.5 傳感器配置界面

傳感器配置界面用于各傳感器的狀態(tài)配置，可單獨(dú)控制每個(gè)傳感器的開關(guān)。通過列表查看各傳感器的編號(hào)、當(dāng)前狀態(tài)、分組情況、高低溫報(bào)警閾值、高低濕度報(bào)警閾值。點(diǎn)選“新增／修改傳感器信息”按鈕，可以對(duì)指定傳感器信息進(jìn)行配置，配置內(nèi)容包括：傳感器編號(hào)、預(yù)警溫度下限值、預(yù)警溫度上限值、預(yù)警濕度下限值、預(yù)警濕度上限值。

2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)通信是環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)高效、安全傳輸?shù)幕A(chǔ)。自主開發(fā)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能。保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、安全性以及可靠性。通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)外發(fā)送信號(hào)，可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至檢測(cè)人員、客戶的終端，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人員與客戶共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人員遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)的功能，滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)冷鏈運(yùn)輸車溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)校準(zhǔn)，自動(dòng)組網(wǎng)功能也避免了長距離布設(shè)熱電偶的麻煩。

各傳感器間采用Uart通信協(xié)議（通用異步收發(fā)傳輸器），將溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過該協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。采用串口通信方式，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的每個(gè)字符以串行方式一位接一位地傳輸，使用長度可變的數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全可靠。系統(tǒng)帶有確認(rèn)傳輸功能，傳輸數(shù)據(jù)使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）校驗(yàn)，可以在信息碼之后再拼接K位的校驗(yàn)碼，形成整個(gè)編碼數(shù)據(jù)包，最多可進(jìn)行15次信息重傳，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽縖7]。

如圖3所示，深色圖標(biāo)為Spring Boot框架的監(jiān)聽串口，淺色各點(diǎn)為溫濕度傳感器，各傳感器通電后會(huì)自動(dòng)組網(wǎng)，形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，完全不需要進(jìn)行設(shè)置、干預(yù)。傳感器會(huì)自動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)的路徑，將信息傳輸給監(jiān)聽串口。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)模塊的故障并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，模塊具有很好的抗毀性，傳感器間可橋接組網(wǎng)，將某些遠(yuǎn)離監(jiān)聽串口的傳感器信號(hào)通過其相鄰的傳感器傳輸過來，如圖4所示。每個(gè)系統(tǒng)最多可以支持300個(gè)模塊組成網(wǎng)絡(luò)，足夠滿足日常的計(jì)量檢測(cè)需求?？梢酝ㄟ^傳感器配置界面修改各傳感器的地址、配置、開關(guān)、分組，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各傳感器的工作狀態(tài)。

本系統(tǒng)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，相比傳統(tǒng)Zigbee協(xié)議，無需學(xué)習(xí)復(fù)雜的Zigbee協(xié)議，直接使用圖形化網(wǎng)絡(luò)嗅探軟件更為直觀方便[8]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析軟件及自動(dòng)組網(wǎng)圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析軟件及自動(dòng)組網(wǎng)圖（傳感器橋接）

3 創(chuàng)新點(diǎn)

環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)采用ANT Wireless通信技術(shù)，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析無線通信協(xié)議，替代原有有線采集溫濕度數(shù)據(jù)形式。在檢測(cè)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，無需長距離布設(shè)熱電偶，直接將無線溫濕度傳感器安放于待測(cè)位置，提升檢測(cè)效率、規(guī)范檢測(cè)過程、確保檢測(cè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線檢測(cè)，滿足動(dòng)態(tài)環(huán)境下環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的檢測(cè)需求。

采用MVC結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)直接植入網(wǎng)頁，兼容計(jì)算機(jī)和手機(jī)的主瀏覽器，通過Web界面直接訪問系統(tǒng)，預(yù)留接入新LIMS系統(tǒng)的空間，將采集數(shù)據(jù)作為原始記錄，可實(shí)現(xiàn)報(bào)告直接生成，降低數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率。系統(tǒng)兼顧信號(hào)分析處理及記錄功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制無線溫濕度傳感器的開關(guān)、測(cè)試間隔等情況。

測(cè)試過程中，各傳感器將所有采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫。測(cè)試結(jié)束后，檢測(cè)工程師可根據(jù)檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)的不同要求，選取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，形成測(cè)試報(bào)告。

4 結(jié)語

本文介紹基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)，基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析數(shù)據(jù)通信協(xié)議，系統(tǒng)分為登錄界面、數(shù)據(jù)概覽界面、傳感器監(jiān)控界面、傳感器配置界面。系統(tǒng)可根據(jù)不同的校準(zhǔn)規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)選擇不同的測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算方法，對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得出測(cè)試結(jié)果。環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)是遠(yuǎn)程溫濕度傳感器與檢測(cè)工程師之間的橋梁。之后將進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整合改進(jìn)，整合檢測(cè)儀器、檢測(cè)業(yè)務(wù)、檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)客戶、檢測(cè)專家等資源，為客戶提供一站式檢測(cè)服務(wù)平臺(tái)，為“互聯(lián)網(wǎng)＋計(jì)量”提供范例和推廣方向。