基于開(kāi)發(fā)板的醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

杜健寧，石子鳴，張 萌，孟祥雨，盧東生

（首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，北京 100050）

0 引言

醫(yī)用冷藏箱主要應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥等領(lǐng)域，是必不可少的醫(yī)療設(shè)備之一。醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部溫度在2～8 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，相比于普通冰箱和商用冰箱有更高的控溫精度要求，具有溫度波動(dòng)值小等特點(diǎn)[1-2]。

通常，醫(yī)療機(jī)構(gòu)所使用的醫(yī)用冷藏箱具有完善的報(bào)警系統(tǒng)，且配置監(jiān)測(cè)運(yùn)行的溫度記錄器，如輸血科常見(jiàn)的三洋MBR-506D 醫(yī)用冷藏箱配備了溫度異常報(bào)警裝置以及監(jiān)控溫度的工作站，可供查詢其歷史溫度曲線。當(dāng)溫度異常時(shí)，工程師可通過(guò)查看歷史溫度曲線進(jìn)行故障診斷，從而盡快維修。然而部分科室仍在使用的老舊醫(yī)用冷藏箱不具備報(bào)警系統(tǒng)或溫度記錄裝置，如遇故障，管理者不能及時(shí)得知醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常的情況，不但易造成藥品或試劑的損失，而且不利于工程師開(kāi)展故障診斷和維修工作。目前，國(guó)內(nèi)、外有關(guān)醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)層出不窮[1-5]，雖然均可實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用冷藏箱溫、濕度的無(wú)線監(jiān)測(cè)，并具備報(bào)警功能，但僅限于手機(jī)消息推送報(bào)警，不具備聲光報(bào)警，且需通過(guò)顯示器或其他終端顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，不但增加成本，而且不便于隨時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)[1-2]。本研究設(shè)計(jì)一款醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置，使管理者通過(guò)手機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用冷藏箱溫濕度的監(jiān)測(cè)[6-9]。本裝置不僅可以實(shí)時(shí)反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部溫濕度，還能夠記錄溫濕度數(shù)據(jù)，并能通過(guò)圖表反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫濕度的變化。在溫度超出正常值持續(xù)5 min 后，本裝置會(huì)通過(guò)指示燈、蜂鳴和微信提醒3 種途徑告知管理者，以便其及時(shí)處置醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的物品或聯(lián)系工程師進(jìn)行維修。

1 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)和連接

本裝置硬件由WeMos D1 Mini 開(kāi)發(fā)板、DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊、有機(jī)發(fā)光二極管（organic lightemitting diode，OLED）顯示屏、RGB 模塊和蜂鳴器模塊組成，整體電路原理圖如圖1 所示。通過(guò)WeMos D1 Mini 開(kāi)發(fā)板板載的ESP-8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊采集溫濕度數(shù)據(jù)，由OLED 顯示屏實(shí)時(shí)顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。在監(jiān)測(cè)到溫度異常時(shí)，通過(guò)RGB模塊以及蜂鳴器模塊進(jìn)行聲光報(bào)警。醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖1 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置整體電路原理圖

圖2 醫(yī)用冷藏箱監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1.1 WeMos D1 Mini 開(kāi)發(fā)板

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置采用WeMos D1 Mini開(kāi)發(fā)板，實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊、OLED顯示屏、RGB 模塊以及蜂鳴器模塊的控制，接收DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊的溫濕度數(shù)據(jù)并由ESP-8266 無(wú)線發(fā)送至手機(jī)端Blinker App[10-13]。

1.1.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊

本研究采用的DHT11 是一款溫濕度復(fù)合傳感器，因其應(yīng)用了專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)而具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。該傳感器溫度量程為-20～60 ℃，精度為±2 ℃；相對(duì)濕度量程為5%～95%，精度為±5%[14-17]。

1.1.3 OLED 顯示屏

本研究采用四針式0.96 in（1 in=25.4 mm）集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）通信的OLED 顯示屏，用于實(shí)時(shí)顯示DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)，并提供國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間顯示[18]。

1.1.4 RGB 模塊

RGB 模塊作為醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的溫度指示燈，當(dāng)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度正常時(shí)，綠燈亮起；當(dāng)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時(shí)，紅燈亮起。

1.1.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊采用低電平觸發(fā)。當(dāng)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度正常時(shí)，蜂鳴器模塊靜息；當(dāng)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時(shí)，觸發(fā)低電平，蜂鳴器模塊報(bào)警。

1.2 軟件編程和配置

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的軟件設(shè)計(jì)部分包含硬件控制程序的編寫(xiě)及手機(jī)端Blinker App 界面的制作。硬件控制程序在Arduino IDE 上完成編寫(xiě)和調(diào)試后燒錄至WeMos D1 Mini 開(kāi)發(fā)板，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置各個(gè)硬件模塊的控制。手機(jī)端Blinker App 能夠直觀地反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的瞬時(shí)溫濕度數(shù)值和歷史溫濕度曲線，供管理者查看。Blinker“點(diǎn)燈物聯(lián)”微信公眾號(hào)在醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時(shí)會(huì)給管理者發(fā)送微信提醒，以便及時(shí)處置。

1.2.1 硬件控制程序

硬件控制程序的流程為：（1）通過(guò)WeMos D1 Mini開(kāi)發(fā)板連接USB 或用電池提供5 V 電壓進(jìn)行供電，傳感器復(fù)位，ESP-8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片啟動(dòng)，發(fā)送國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間至OLED 顯示屏。（2）DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊獲取醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫濕度并傳輸至WeMos D1 Mini 開(kāi)發(fā)板，分別在OLED 顯示屏和手機(jī)端Blinker App 進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的顯示，供管理員進(jìn)行查詢。（3）為防止開(kāi)門引起誤報(bào)警或頻繁報(bào)警，采取報(bào)警延時(shí)設(shè)置：當(dāng)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃或低于2 ℃持續(xù)5 min 時(shí)，蜂鳴器模塊響起，RGB 模塊由綠燈變?yōu)榧t燈，Blinker“點(diǎn)燈物聯(lián)”微信公眾號(hào)發(fā)送溫度異常微信消息告知管理員[19-21]。醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的工作流程圖如圖3 所示。

圖3 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置工作流程圖

1.2.2 手機(jī)端Blinker App 界面制作

手機(jī)端Blinker App 用于顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)和曲線，使管理者能夠在移動(dòng)端隨時(shí)隨地了解醫(yī)用冷藏箱的當(dāng)前和歷史運(yùn)行狀態(tài)，其界面制作步驟為：（1）在手機(jī)端Blinker App 中新建設(shè)備；（2）在新建設(shè)備界面里分別添加溫度和濕度數(shù)據(jù)顯示組件；（3）分別添加溫度和濕度圖表組件，以顯示溫度和濕度曲線；（4）添加“消音”和“刷新”組件，以供裝置的消音和實(shí)時(shí)刷新溫濕度數(shù)據(jù)；（5）在Arduino IDE 上進(jìn)行Blinker App 的程序配置。

2 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試

2.1 測(cè)試場(chǎng)景布置

本裝置體積為50mm×50mm×25mm，質(zhì)量為50 g，便于放置或貼附。經(jīng)測(cè)量，引線直徑為2 mm，箱門關(guān)閉后可與醫(yī)用冷藏箱密封條貼合良好，不影響其密封。

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試在本院門診西藥房中的2 臺(tái)海爾HYC-940 醫(yī)用冷藏箱上進(jìn)行，其冷藏室溫度范圍為2～8 ℃，測(cè)試用醫(yī)用冷藏箱及裝置放置示意圖如圖4 所示。為了不影響取送藥工作，將醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置貼附于醫(yī)用冷藏箱側(cè)面，如圖4（b）所示。將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冷藏箱內(nèi)，通過(guò)引線與醫(yī)用冷藏箱監(jiān)測(cè)裝置連接，裝置通過(guò)USB 供電。

圖4 測(cè)試用醫(yī)用冷藏箱實(shí)物及裝置放置示意圖

2.2 裝置功能測(cè)試

2.2.1 報(bào)警功能測(cè)試

醫(yī)用冷藏箱1：（1）將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊置于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)，其溫度顯示4.3 ℃，監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為4.4 ℃，RGB 模塊綠燈亮，指示溫度正常；（2）打開(kāi)醫(yī)用冷藏箱門，使內(nèi)部溫度升高（測(cè)得當(dāng)時(shí)室內(nèi)溫度為24.5 ℃），當(dāng)冷藏箱溫度顯示8.1 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得其內(nèi)部溫度為8.1 ℃且繼續(xù)升高，5 min 后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)響起，管理者隨即收到Blinker“點(diǎn)燈物聯(lián)”微信公眾號(hào)發(fā)送的“High Temperature”信息（如圖5 所示）；（3）關(guān)閉醫(yī)用冷藏箱門，當(dāng)其溫度顯示7.9 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為8.0 ℃，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)停止。

圖5 Blinker “點(diǎn)燈物聯(lián)” 微信公眾號(hào)發(fā)送消息內(nèi)容界面

醫(yī)用冷藏箱2：測(cè)試方法同醫(yī)用冷藏箱1，使其內(nèi)部溫度升高，當(dāng)醫(yī)用冷藏箱溫度顯示為8.0 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得其內(nèi)部溫度為8.1 ℃且繼續(xù)升高，5 min后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)響起，管理者隨即收到“High Temperature”信息；關(guān)閉醫(yī)用冷藏箱門，當(dāng)其溫度顯示7.9 ℃時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置測(cè)得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為7.9 ℃，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)停止。

通過(guò)將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冰袋上模擬醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度低于2 ℃的情況，監(jiān)測(cè)裝置顯示溫度下降至1.9 ℃且繼續(xù)降低，5 min 后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)響起，管理者隨即收到“Low Temperature”信息；移除冰袋，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置顯示溫度上升至2.1 ℃時(shí)，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報(bào)停止。

本裝置能夠?qū)︶t(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度進(jìn)行顯示，在其正常工作時(shí)提供指示，在醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃或低于2 ℃持續(xù)5 min 后進(jìn)行聲光報(bào)警并發(fā)送微信提醒。

2.2.2 測(cè)溫效果測(cè)試

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測(cè)裝置選用的DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器精度誤差可達(dá)±2 ℃，因而需進(jìn)行量程內(nèi)（2～8 ℃）測(cè)溫效果測(cè)試。分別對(duì)2 臺(tái)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度進(jìn)行60 min 監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)裝置和醫(yī)用冷藏箱顯示的溫度數(shù)值隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1～2。

表1 醫(yī)用冷藏箱1 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：℃

表2 醫(yī)用冷藏箱2 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 單位：℃

經(jīng)數(shù)據(jù)比對(duì)，在測(cè)溫過(guò)程中本裝置與醫(yī)用冷藏箱顯示溫度的最大差值為±0.2 ℃。

2.2.3 手機(jī)端Blinker App 功能測(cè)試

手機(jī)端Blinker App 界面如圖6 所示，其功能測(cè)試流程為：（1）將硬件部分上電后打開(kāi)App，App 顯示當(dāng)前瞬時(shí)溫度為3.3 ℃，文字提示為“正?！?；（2）打開(kāi)醫(yī)用冷藏箱門，使其箱內(nèi)溫度升高（測(cè)得當(dāng)時(shí)室內(nèi)溫度為24.5 ℃），當(dāng)App 顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃時(shí)，App 文字提示為“高溫”；（3）將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冰袋上，當(dāng)App 顯示溫度低于2 ℃時(shí)，App 文字提示為“低溫”；（4）在蜂鳴器模塊報(bào)警時(shí)，按下“消音”組件，蜂鳴器模塊警報(bào)停止；（5）按下“刷新”組件，App 隨即收到刷新后的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖6 手機(jī)端Blinker App 界面

經(jīng)測(cè)試，手機(jī)端Blinker App 能夠顯示溫濕度瞬時(shí)數(shù)據(jù)，提供最近1 h、1 d 以及1 周溫濕度歷史數(shù)據(jù)圖表，且“消音”“刷新”組件工作正常。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究的意義在于解決老舊醫(yī)用冷藏箱不具備報(bào)警系統(tǒng)或溫度記錄裝置的問(wèn)題，使管理者能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)老舊醫(yī)用冷藏箱的溫濕度數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部溫度異常時(shí)收到微信消息推送，以便及時(shí)維修，減少藥物、血袋等物品因儲(chǔ)藏不當(dāng)造成的損失。本裝置的創(chuàng)新之處在于其體積小巧、成本低廉、易于操作，能夠有效監(jiān)測(cè)醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度變化，并在溫度異常時(shí)及時(shí)告知管理者。

本裝置的不足之處在于選用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器雖然成本較低，但其本身存在的誤差較大，在測(cè)量范圍為0～50 ℃時(shí)的誤差為±2 ℃，可能會(huì)引發(fā)裝置誤報(bào)警；置于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的傳感器需要通過(guò)引線連接開(kāi)發(fā)板，對(duì)樣本或藥品的取放造成一定的不便。下一步計(jì)劃將溫濕度采集模塊更換成測(cè)量精度為±0.6 ℃（0～60 ℃）的SHT30，改善設(shè)備測(cè)量精度；將裝置內(nèi)嵌于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)，去除冗余引線，提高裝置集成度；在全醫(yī)院進(jìn)行推廣，根據(jù)本裝置在各科室的使用情況在硬件和軟件方面加以改進(jìn)。