药品库房温湿度监测系统的设计与实现.doc

药品库房温湿度监测系统的设计与实现摘要：针对目前医药行业药品存储环境监管水平低、监测点多和数据可靠性差等特点，提出了一种无线监测药品库房内部温湿度的方法。将温湿度传感器放置在药品库房适当的位置，首先药品库房内的协调器控制传感器采集温湿度，然后采集器把数据返回给协调器。系统通过JenNet-IP网络协议栈进行组网，实现了6LoWPAN标准的无线通信。文章详细介绍了硬件电路的设计和JenNet-IP网络协议栈的实现，最后利用C#语言编写上位机软件控制整个系统，达到协调运行的目的。结果表明，该系统解决了药品监测环境中实时监控的问题，具有低成本，低功耗，可靠性强等优点。关键词：药品库房；JenNet-IP；6LoWPAN；温湿度中图分类号：TP274+.2 文献标识码：AThe research and implementation of the drug warehouse temperature and humidity detection systemAbstract:Aiming at the low level of supervision,monitoring pointsand data morepoor reliabilityand other characteristics of thepharmaceutical industryand drugstorage environment,puts forward a method ofwirelessmonitoring in drugstorehouse interiortemperature and humidity. Thetemperature and humidity sensorsplaced inthe appropriate location of drugstorehouse.Atfirst,the Coordinatorcontrol sensorscollecting temperature and humidity in the drug storehouse,then thecollector back the data tocoordinator. The system through the JenNet - IP network protocol stack in networking and implements 6 lowpan wireless communication standard. The article introduces the implementation ofhardware circuit designand JenNet-IPnetwork protocol stack,finallywrite PCsoftwareto control the whole system through the C# language,to achieve the coordination ofthe purpose of running.The results show that the system solves thereal-time drugmonitoring of the environmentmonitoring problem,andhas the advantages of low cost,low power consumption,high reliability.Key words: drug warehouse; JenNet-IP; 6LoWPAN; temperature and humidity0 引言药品作为一种特殊商品，储存环境的好坏会严重影响药品的质量，并直接影响到对疾病的治疗效果，甚至关系到人民的生命健康问题。我国在药品分管的标准中规定企业要有符合药品储藏要求的温湿度条件1。温度湿度是药品库房监测中的重要参数，目前医药行业药品储存环境的温湿度监测设备主要是温度计、湿度记录仪，大多数医药储存流通企业还在使用传统的温度计，数据手工记录等进行人工监测，这些方法不仅要花费巨大的人工成本和时间而且监测准确度不高。因此，解决人工监测药品库房的温湿度问题迫在眉睫。根据药品库房温湿度监测现状，系统采用2.4GHz的低功耗无线6LoWPAN模块JN51682，参考IEEE802.15.4的无线通信标准协议设计药品库房温湿度监测系统。无需人工干预，工作人员只需在电脑前面查看和管理温湿度的变化情况。设计的温湿度监测系统功耗低、工作稳定、能够精确的监测药品库房中的温湿度，这也极大地提高了工作人员的工作效率。1 药品库房温湿度无线监测系统方案本系统由协调器，采集器和上位机软件，手机客户端组成。采集器负责根据时间定时采集温湿度，JN5168模块和控制器都带有休眠的功能，因此节省了功耗。协调器通过6LoWPAN标准的无线通信，获取采集器的数据，传输温湿度数据到PC端。上位机软件处理协调器传输过来的温湿度数据并绘制温湿度曲线。整个系统的结构图如图1所示图1 系统结构图2 系统硬件设计21 协调器和采集器主控制器的功能模块主要由微处理器STM32F103RBT6，低功耗无线6LoWPAN模块JN5168，GPRS模块MG323和串口转换电路组成。采集器主要由微处理器MSP430G2553、温湿度传感器SHT75、无线射频模块JN5168组成。具体框图如图2所示。图2 系统硬件结构框图2.2 微处理器协调器的微处理器采用Cortex-M3内核构架的STM32系列芯片，具有最高72MHz的主频，外设资源非常多3，通过对STM32微处理器串口的设置以及中断的配置来完成STM32微处理器底层的配置，再通过MG323的发送和接收数据实现GPRS的数据传输技术。本系统主要使用了SPI、 IIC、UART1、UART2、中断、定时器、RTC等资源。采集器的微处理器采用的是德州仪器设计的MSP430芯片，工作在低电源电压1.8V至3.6V之间。超低功耗，有5种节能模式，这5种低功耗模式和架构相组合，可在便携式测量应用中延长电池的使用寿命。该器件具有强大的16位RISC CPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数字控制振荡器（DCO）可在不到1s的时间里超快速地从待机模式唤醒，可用于捕获数字值，随后对数据进行处理传送至协调器系统。2.3 无线通信模块JN5168是一系列超低功耗的高性能无线微控制器，支持JenNet-IP、ZigBee PRO或RF4CE网络协议栈，适合开发住宅自动化、智能能源和远程控制应用。这类器件具有一个增强型32位RISC处理器，带嵌入式闪存和EEPROM存储器，通过可变宽度指令实现高编码效率；一条多级指令流水线，通过可编程时钟速度实现低功耗运行。它们还集成了一个2.4 GHz IEEE802.15.4兼容型收发器以及各种模拟和数字外设。有三种存储器配置可适合不同应用。凭借15 mA的工作电流特性和0.6A的睡眠定时器模式可以大大延长电池寿命，支持用一枚钮扣电池直接供电4，这是本系统选择它的一个重要原因。这些外设支持各种应用。它们包括：2线式I2C端口、可用作协调器或采集器的SPI端口、带电池的y4通道ADC，以及温度传感器。2.4 GPRS模块GPRS模块选用华为推出的一款4频段的MG323模块,接口与CDMA模块MC323兼容。支持153.6kbps下行速率；提供高质量的语音、短信功能，内置TCP/IP协议栈，具有STK/ FTP/ HTTP/ Audio Record/ TTS 等扩展功能，以及华为扩展AT命令集。工作频段支持4频： GSM850/900/1800/1900MHZ且最大发射功率：EGSM900/GSM850 Class4(2W)，GSM1800/GSM1900 Class1(1W)，接收灵敏度为-107dBm，工作电压范围在3.3V4.8V（推荐值3.8V ）之间5。本系统可以通过该模块实现短信收发功能来监控药品库房温湿度。2.5 温湿度传感器SHT75传感器是一款内部集成有温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线的传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接6。SHT75采用串行接口，它的湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可通过软件编程为12位和8位。工作电压在2.4V5.5V之间，对温度的量程范围是-40123.8，湿度的量程范围是0100%RH9。湿度测量精度为1.8RH，温度测量精度为0.3。同时，它操作简单，基本符合I2C的通信时序，通信过程分为：启动传感器、发送命令、测量和复位4个步骤。在测量和通讯结束后，SHT75会自动转入休眠模式，这大大的减少了功耗。3 系统软件设计为了使温湿度传感器能够将监测到的数据快速、准确的传输给监控室的PC机，并做相应的数据控制显示，需要对无线网络进行相关的设计。3.1 系统通信协议JenNet-IP系统是一种增强型6LoWPAN网络层，专门针对基于IEEE 802.15.4标准的超低功耗网络而设计，适用于住宅和工业等应用7。该系统包括无线个人局域网域和局域网/广域网域两个部分。JenNet-IP系统的主要组件有5部分：（1）无线个人局域网（WPAN）：无线网络基于NXP JN5168无线微控制器通过IEEE 802.15.4和提供服务包含节点进行内部操作8；（2）边界路由器：用来连接一个WPAN设备局域网；（3）局域网（LAN）：通过当地基于ip的总线(例如以太网)与WPANs相连接；（4）广域网（WAN）：宽量程基于ip的网络(如因特网)连接到局域网；（5）IP主机：设备与IP广域网或局域网连接到系统。JenNet-IP系统拓扑图如图3所示。图3 JenNet-IP系统图3.2 采集器和协调器工作流程采集器主要有两个功能：一是初始化JetNet-IP协议栈、温湿度传感器和MSP430定时器，每间隔一段时间采集一次温湿度数据并打包，通过JN5168发送给协调器。二是接收协调器发来的采集温湿度指令并分析指令，然后将相应数据发送给协调器。采集器的工作流程图如图4所示。图4 采集器的工作流程图协调器首先系统初始化，然后接收采集器发来的温湿度数据，通过串口发送给PC端。另外它还接收MG323模块发来的指令，再把指令通过JN5168发送给采集器。协调器的工作流程图如图5所示。图5 协调器的工作流程图3.3 上位机软件设计协调器通过串口将数据传递给上位机软件，软件对数据进行处理。上位机软件通过C#语言来编写，采用Visual Studio2010开发工具10，主要实现了4个方面的内容，分别是基本设置、时间窗口、命令发送和显示方式，这4个部分相互独立，如图6所示。图6 上位机软件框架图4 测试与分析在温湿度监测系统的各硬件电路模板和上位机软件设计好之后，还需要测试和分析相应数据才能完成整个系统的要求。4.1 温室度测量药品库房温湿度监测系统在设计过程中遵循简单、稳定和高效的原则，最大限度的提高系统的性能。根据要求，系统应当自动地对药品储存运输过程中的温湿度环境进行不间断监测和记录。系统应当至少每隔1分钟更新一次测点温湿度数据，储存过程中至少每隔30分钟自动记录一次实时温湿度数据，我们进行了相应测试，测试效果如图7所示。图7 温湿度监测系统测试界面系统建立了一个协调器和多个采集器，各个采集器分别采集不同区域的药品储藏区的温湿度数据。4 .2 数据分析通过上图可以看出，协调器每隔1分钟获取一次所有采集器的温湿度，并将数据存入SQL Server数据库，温度和湿度数据没有出现误码，无线通信取得了良好的效果。5 结束语提出了一种基于JenNet-IP网络协议栈进行无线监测的温湿度系统，具有出色的扩展能力，能够支持最多500个节点，在有无网络网关的情况下均可工作。实验表明，系统通信稳定、数据传输正确、可靠，同时使用方便以及布局简单，在相应的其它领域温湿度监测方面具有广阔的应用前景。