具有物聯(lián)網(wǎng)功能的醫(yī)用恒溫反應(yīng)箱的研制

劉卓夫　張金峰　王琳　羅中明　劉雪　趙虹　錢雨

摘要：介紹了一種具有物聯(lián)網(wǎng)功能的醫(yī)用恒溫反應(yīng)箱，該系統(tǒng)包括：觸摸屏人機(jī)接口、溫度傳感器、加熱/制冷片、循環(huán)泵和WiFi接口，該系統(tǒng)能夠?qū)ο鋬?nèi)溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)故障報(bào)警及無線數(shù)據(jù)傳送，通過構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)對(duì)該控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，在進(jìn)行測試前，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，然后，進(jìn)行12次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)，連續(xù)運(yùn)行48h，并將歷史數(shù)據(jù)存貯在觸控屏和智能手機(jī)的存儲(chǔ)卡中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：箱內(nèi)溫度可以穩(wěn)定在設(shè)置溫度，系統(tǒng)分辨率±0.3℃。

關(guān)鍵詞：恒溫反應(yīng)箱；無線網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)；智能手機(jī)；數(shù)據(jù)傳輸

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.008

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0039-05

0.引言

醫(yī)學(xué)樣本采集后的培養(yǎng)與觀察，需要保證與人體體內(nèi)環(huán)境一致；活體組織和血液的低溫處理，則需要相應(yīng)的低溫保存箱，因此，醫(yī)用恒溫系統(tǒng)的開發(fā)和研制具有重要的意義和市場價(jià)值。

溫度控制技術(shù)發(fā)展大約經(jīng)歷了3個(gè)階段：①開關(guān)控制；②PID控制；③智能控制，隨著各種控制方法的深入研究，逐漸出現(xiàn)了3種方法相結(jié)合的控制方式，這種控制方式充分利用了各種控制方法的優(yōu)勢，達(dá)到了最佳的控制效果，其中，1976年，P.J.King和Mamdani等人合作，利用模糊算法對(duì)反應(yīng)器成功實(shí)現(xiàn)了溫度控制，這是人類首次采用模糊控制實(shí)現(xiàn)溫度控制。

國內(nèi)市場上供應(yīng)的恒溫控制箱主要有3類，第一類是普通的恒溫水浴，第二類是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的超級(jí)恒溫水浴箱，第三類是利用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的恒溫箱，雖然目前市場上出現(xiàn)各種類型的醫(yī)用恒溫控制系統(tǒng)，但共同的缺點(diǎn)是只能夠獨(dú)立工作，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制，從而導(dǎo)致人力和財(cái)力的浪費(fèi)。

針對(duì)這一缺陷，本文采用無線通信技術(shù)和Mod-Bus總線協(xié)相結(jié)合，構(gòu)建了具有實(shí)時(shí)曲線現(xiàn)實(shí)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)報(bào)警和遠(yuǎn)程無線監(jiān)控功能的醫(yī)用恒溫反應(yīng)箱系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程中，現(xiàn)場總線協(xié)議選用MODBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)，無線傳輸采用TCP/IP方式，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^對(duì)儲(chǔ)存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)分辨率在±0.3°C。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的醫(yī)用恒溫反應(yīng)箱系統(tǒng)采用STC單片機(jī)為主控制器，通過溫度傳感器測得反應(yīng)箱內(nèi)溫度，再將溫度信號(hào)送入主控制器，由主控器進(jìn)行信息對(duì)比并控制調(diào)溫系統(tǒng)來完成溫度控制，同時(shí)通過無線WiFi模塊將溫度信息發(fā)送至智能手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并為多機(jī)組網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。當(dāng)實(shí)測溫度不符合設(shè)定的溫度范圍時(shí)，將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)將啟動(dòng)加熱或制冷單元，以實(shí)現(xiàn)恒溫控制，系統(tǒng)主要包括：觸屏主控面板、溫度傳感器、加熱片、制冷片、循環(huán)泵.觸控屏和智能手機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示出溫度數(shù)據(jù)和歷史曲線，并自動(dòng)將歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.1采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)中，選用STCl5F2K60$2作為中央處理單元，4路數(shù)字式溫度傳感器分別接在單片機(jī)的P0[0：3]口，WiFi模塊與其P1[0：1]口連接，控制制冷或加熱功能的繼電器與P0[4：5]連接，觸摸屏端口與P3[0：1]連接（如圖l所示）。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括三部分，分別是單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)，和基于Android平臺(tái)的手機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)，在控制部分，主要有系統(tǒng)的溫度測量與數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)的加熱和制冷，以及水浴循環(huán)控制；觸摸屏部分主要應(yīng)用組態(tài)設(shè)計(jì)嵌入式程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；手機(jī)監(jiān)控部分包括：無線傳輸協(xié)議和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2.1控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制部分主要包括：系統(tǒng)的加熱、制冷、水浴循環(huán)及數(shù)據(jù)發(fā)送.其軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

這一系列操作都是在單片機(jī)的控制之下完成的，無需工作人員手動(dòng)干預(yù)，為了避免溫度控制中的過沖和欠沖現(xiàn)象，在加熱和制冷控制時(shí)，采用了分級(jí)控制算法。

2.2觸摸屏模塊

觸摸屏采用嵌入式組態(tài)軟件編寫程序，應(yīng)用到的協(xié)議是MODBUS總線協(xié)議，控制器通信使用主一從技術(shù)，即僅一臺(tái)設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢），其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng).觸摸屏程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

作為一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)總線協(xié)議，大多數(shù)的控制設(shè)備和儀表可以通過MODBUS協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸.因?yàn)镸ODBUS協(xié)議具有完全公開透明性，這使它成為一通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域里，MODBUS協(xié)議的格式分為RTU模式和ASCII模式，本項(xiàng)目采用的是RTU模式，按照協(xié)議中規(guī)定的操作時(shí)序，消息發(fā)送至少要以

3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開始.在最近一個(gè)傳輸字符之后，至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)定了消息的結(jié)束，一個(gè)新的消息可在此停頓后開始，整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，如果在幀完成之前兩個(gè)字符問有超過1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓時(shí)間，認(rèn)為幀錯(cuò)誤，停止接收，清緩沖，直到通信主循環(huán)中，清錯(cuò)誤標(biāo)志，重新啟動(dòng)接收，從機(jī)地址作為命令的幀第一段數(shù)據(jù)，是聲明主機(jī)命令指向的信息，主機(jī)通過地址碼能夠找到目標(biāo)機(jī)從而對(duì)目標(biāo)機(jī)進(jìn)行操作。主機(jī)對(duì)目標(biāo)機(jī)的具體操作由從機(jī)地址后的功能碼做出解釋。

2.3手機(jī)模塊

智能手機(jī)客戶端的數(shù)據(jù)來源是下位機(jī)，傳輸?shù)氖侄尾捎玫氖荰CP/IP通信協(xié)議，通過無線路由器構(gòu)成硬件連接的鏈路，使得信息準(zhǔn)確無誤的由下位機(jī)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，本部分的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用的語言是Java高級(jí)語言，應(yīng)用的開發(fā)軟件是Eclipse 4.0，圖4為智能手機(jī)程序流程圖。

3.傳感器校正

利用ESPEC公司溫濕度復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)箱PVS一3KP對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，旨標(biāo)定傳感器DSl8820的誤差，并對(duì)其校正.對(duì)測量溫度的標(biāo)定曲線如圖5，其中溫度測試范圍為10°C～50°C。

進(jìn)行溫度精度測試時(shí)，試驗(yàn)箱PVS-3KP每隔5℃設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)（濕度值設(shè)定為相對(duì)濕度值55%），分別按照遞增（5℃～50°C）、遞減（50°C～5℃）的順序進(jìn)行兩組測量，并記錄被測試系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù).從圖5中可以看出，傳感器測試結(jié)果與試驗(yàn)箱的溫度偏差為±0.2°C，可以滿足實(shí)際需要，而且所選用的4個(gè)傳感器具有很好的一致性，從而保證后續(xù)測量的可靠性。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將4個(gè)溫度傳感器探頭均勻分布在恒溫箱中，操控觸控屏將恒溫溫度調(diào)節(jié)到37°C（模擬人體體溫），啟動(dòng)設(shè)備，連續(xù)工作48小時(shí)，重復(fù)12次相同的實(shí)驗(yàn)，通過，智能手機(jī)和觸摸屏的存儲(chǔ)卡記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。

對(duì)比智能手機(jī)和觸摸屏存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)（圖6），可以看出，二者溫度平均值為36.7°C，具有一致性，這就證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無線傳輸?shù)目煽啃?，其中的波?dòng)，是由于當(dāng)溫度低于36.6°C時(shí)加熱片工作，高于37°C時(shí)制冷片工作所造成的，溫度位于36.6～C～37～C之間時(shí)保持。

通過統(tǒng)計(jì)分析（圖7），可以看出所有12次的數(shù)據(jù)都能夠滿足要求，溫度偏差±0.3°C。

5.結(jié)論

本文介紹了由單片機(jī)和溫度傳感器、加熱和制冷模塊，以及液晶顯示模塊和無線WiFi模塊組成的醫(yī)用恒溫反應(yīng)箱，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于醫(yī)用生物試劑的保存和培養(yǎng)，該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)集成度高，體積小，運(yùn)行可靠，另外，該系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和多機(jī)組網(wǎng)，從而為醫(yī)療設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。