醫(yī)藥倉庫分區(qū)管控中ZigBee無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

孫天嬌，仇潤鶴

0 引言

實(shí)際的藥品管理中，藥品狀態(tài)細(xì)分后如何進(jìn)行有效管控尤為重要，藥庫分為平面?zhèn)}庫、隔斷倉間、冷庫、冷藏車，立體及高架倉庫等。平面?zhèn)}庫面積較大，單一位置的環(huán)境因素測(cè)量值顯然無法象征整個(gè)倉庫的環(huán)境參數(shù)，局部溫濕度的變化也無法感測(cè)到，因此經(jīng)常需要對(duì)平面?zhèn)}庫進(jìn)行分區(qū)獨(dú)立監(jiān)控。對(duì)于不同藥品的特性，如低溫保存、避光保存、通風(fēng)或密封保存等，又應(yīng)該選擇不同的位存儲(chǔ)位置，因此需要對(duì)各個(gè)分散的獨(dú)立小區(qū)域的環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控。基于IEEE 802.15.14無線標(biāo)準(zhǔn)[1]研制開發(fā)的ZigBee技術(shù)特別適合于小范圍的無線組網(wǎng)控制，完全能夠滿足小范圍監(jiān)控對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的要求。ZigBee主要應(yīng)用于低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng),系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有多跳路由功能，能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 具有通信可靠、自組織、自愈、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)[2]。

在Windows操作系統(tǒng)中，一般采用C/C++語言來編寫串口通信程序及上位機(jī)顯示界面，程序代碼較復(fù)雜，往往開發(fā)周期也較長。而圖形化編程語言LabVIEW可方便地實(shí)現(xiàn)串口通信程序編寫。它具有編程簡(jiǎn)潔、直觀性強(qiáng)、人機(jī)交互界面友好、數(shù)據(jù)可視化分析與設(shè)備控制能力優(yōu)等特點(diǎn)。其自帶的VISA子模塊，則可更方便、快捷地實(shí)現(xiàn)串口編程，完成控制機(jī)與儀器之間的連接、控制、顯示的功能。

本文中控制中心與數(shù)據(jù)終端是通過 ZigBee無線通信的。前端采集加入了帶有8路ADC通道的單片機(jī)，使得一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)即可獲取8路環(huán)境傳感器的測(cè)量值，測(cè)量值（電壓信號(hào)）經(jīng)過單片機(jī)處理后，再通過單片機(jī)串口接入ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，并又由ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送至監(jiān)控中心。若發(fā)送端與接收端的距離較遠(yuǎn)，亦可加入中繼路由節(jié)點(diǎn)，形成多跳網(wǎng)絡(luò)，完成通信。實(shí)現(xiàn)了溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、監(jiān)控與報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee共有3種不同拓?fù)漕愋偷木W(wǎng)絡(luò)：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)[3]。此處采用了星型網(wǎng)，即多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)直接與ZigBee數(shù)據(jù)管理終端通信并交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處匯聚并傳至PC機(jī)，根據(jù)具體的環(huán)境特點(diǎn)安裝中繼路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多跳傳遞至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以下兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)框圖，如圖1所示：

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

第一級(jí)：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)通過串口與PC機(jī)相連，作為協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)創(chuàng)建和給其它終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并作為無線接受端讀取傳感器的測(cè)量值。

第二級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)采集節(jié)點(diǎn)；根據(jù)貨品分類及分區(qū)面積將倉庫進(jìn)行區(qū)域劃分，每個(gè)區(qū)域內(nèi)各放置一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)，根據(jù)貨品的種類性質(zhì)以及對(duì)環(huán)境因素的要求（如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等），選擇相應(yīng)的傳感器。并將各個(gè)傳感器的測(cè)量輸出分別接入到單片機(jī)的各路ADC通道，而單片機(jī)則通過串口與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)相連，終端ZigBee節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù)后并通過天線發(fā)出。

根據(jù)需求，每個(gè)監(jiān)控區(qū)域均放置一些終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳遞。如冷庫中節(jié)點(diǎn)的布置，平面單庫20平米以下應(yīng)不少于2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，20-50平米應(yīng)不少于3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，50-150平米應(yīng)不少于4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)位的布置應(yīng)依照經(jīng)驗(yàn)證的溫度的冷點(diǎn)和熱點(diǎn)。對(duì)于立體及高架倉庫，應(yīng)均勻分布在庫房的上、中、下3層，采取延對(duì)角線交叉布置的方式，每層不少于3個(gè)，總數(shù)不少于9個(gè)。

以某一個(gè)區(qū)域的溫濕度、光照強(qiáng)度監(jiān)控為例，由單片機(jī)STC12C5A60S2和各傳感器(LTC標(biāo)準(zhǔn)傳感器)連接作為前端數(shù)據(jù)采集部分，傳感器的測(cè)量值輸出為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，3個(gè)輸出引腳OUT1(溫度), OUT2(濕度), OUT3(光照)分別和單片機(jī)ADC0, ADC1, ADC2連接，模擬量通過單片機(jī)的ADC轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量后，通過串口與ZigBee模塊通信，經(jīng)天線發(fā)送出[4]，目的地址為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)主要使用的硬件模塊包括傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、傳感器模塊、串行接口等，其工作原理如下所述：

2.1 LT系統(tǒng)傳感器

本系統(tǒng)所使用的LT/W/S溫濕度傳感器、LT/G光照度傳感器，均為惠邦公司生產(chǎn)的LT系統(tǒng)傳感器，專門針對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的測(cè)量[5]。使用的傳感器均輸出0-5V的模擬電壓信號(hào)，該信號(hào)與溫濕度、光照強(qiáng)度成良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

傳感器啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)引腳就會(huì)輸出與環(huán)境數(shù)據(jù)成線性關(guān)系的模擬電壓信號(hào)。當(dāng)傳感器接入12V電源時(shí)，輸出的模擬信號(hào)在0-5V之間變化，對(duì)應(yīng)的溫度量程是-20℃-80℃，對(duì)應(yīng)的濕度量程是0%-100%，對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度的量程是0-10萬lux。

2.2 STC12C5A60S2系列單片機(jī)

采用 STC12C5A60S2系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器測(cè)量值的轉(zhuǎn)換處理，并作為連入網(wǎng)絡(luò)的接口。該單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。單片機(jī)中包含中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè) UART串口、I/O接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊[6]。

2.3 ZigBee無線通信模塊

采用XBee/XBee Pro模塊[7]，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集與遠(yuǎn)程交互終端之間的通信功能，XBee為2.4GHz無線通信接口，具有基于Mesh網(wǎng)的固件，支持 ZigBee協(xié)議棧。模塊功耗僅為3.1mW(+5dBm)，傳輸距離可達(dá)120m，如下圖4所示：

圖4 XBee Pro模塊的引腳排列圖

XBee Pro模塊的引腳排列圖，該模塊有20個(gè)引腳。其中VCC是電源引腳(2.8-3.4V)；DIN是信號(hào)輸入引腳，可作為UART數(shù)據(jù)輸入，通常與處理器的UART接收端TX相連； DOUT為信號(hào)輸出引腳，可作為UART數(shù)據(jù)輸出，通常與處理器的UART接收端RX相連。

接口的內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程，如圖5所示：

圖5 XBee/XBee Pro模塊的UART內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程

當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過DIN引腳進(jìn)入XBee Pro模塊后，數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在DI緩沖器中，直到被發(fā)送器通過天線發(fā)送出去；當(dāng)RF數(shù)據(jù)由天線接收后，接收數(shù)據(jù)進(jìn)入DO緩沖器，并通過串口發(fā)送到主機(jī)，直到被處理。在一定條件下，模塊可能無法立即處理在串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)。如果大量的串行數(shù)據(jù)發(fā)送到模塊，可能需要使用 CTS流控以避免串行接收緩沖溢出。

在XBee/XBee Pro模塊的調(diào)試底板中集成了一個(gè)UART接口，使得可以通過UART 接口直接與控制器的UART接口相連，簡(jiǎn)單實(shí)用。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee模塊的配置

3.1.1 通過X-CTU軟件下載代碼

使用X-CTU軟件對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行配置和調(diào)試，并可以通過串口下載和調(diào)試程序。設(shè)計(jì)通過透明傳輸?shù)拇a來實(shí)現(xiàn)ZNET2.5的數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)XBee/XBee-Pro，分別選擇固件庫XB24-ZB(XBee)或XBP24-ZB(XBee-Pro)。

首先，下載協(xié)調(diào)器代碼[ZNET2.5 COORDINATOR AT(1047)]，先配置X-CTU的必要參數(shù)，選擇和設(shè)備連接的串口，然后設(shè)置波特率-數(shù)據(jù)位-校驗(yàn)位-停止位分別為：9600-8-n-1。再通過”write”指令將代碼寫入模塊。系統(tǒng)和模塊默認(rèn)9600-8-n-1，使用流控制CTS,禁止流控制RTS。可以根據(jù)設(shè)備的具體需要改變波特率等，亦可通過X-CTU的配置串口參數(shù)命令來實(shí)現(xiàn)。

然后，使用同樣的方法給另外一個(gè)或幾個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)模塊下載代碼[ZNET 2.5 ROUTER/END DEVICE AT(1247)],一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，但是可以有多個(gè)路由器或者終端設(shè)備。

3.1.2 配置目標(biāo)地址

透明傳輸是建立在1047和1247的基礎(chǔ)上[8]，在系統(tǒng)默認(rèn)的情況下，zigbee協(xié)調(diào)器模塊采用廣播的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，即將模塊的目標(biāo)地址設(shè)置為0x000000000000FFFF,廣播模式可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的延時(shí)嚴(yán)重，因此此處需配置模塊的目標(biāo)地址。

透明傳輸支持空閑模式、低功耗模式、透?jìng)髂Ｊ健⒑兔钅Ｊ健Ｅ渲媚K參數(shù)必須在命令模式執(zhí)行，通過“+++”進(jìn)入命令模式，操作如下：

退出命令模式以后，設(shè)備進(jìn)入透明傳輸模式，可以發(fā)送除了“+++”之外的任意數(shù)據(jù)。將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的源地址配置成終端節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)地址。路由器節(jié)點(diǎn)保留默認(rèn)配置。

3.2 前端數(shù)據(jù)采集處理

前端數(shù)據(jù)采集處理的程序用KeilC51編寫，主要用于采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無線發(fā)送。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括串口初始化程序、定時(shí)器初始化程序等，其流程，如圖6所示：

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊軟件流程圖

首先，由STC12C5A60S2單片機(jī)完成設(shè)備的初始化，然后，進(jìn)行定時(shí)器的初始化、定時(shí)、中斷發(fā)生時(shí)，由單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并通過串口向通信模塊發(fā)送傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，發(fā)送完畢，等待確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，收到后則送往PC顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。

本系統(tǒng)中對(duì)溫濕度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，定時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送，故如圖7中所示采用了終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送的方式。實(shí)際應(yīng)用中如有必要，還可以采用中心節(jié)點(diǎn)查詢的方式。

串口的主要函數(shù)如下：

3.3 上位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

3.3.1 VISA簡(jiǎn)介

LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的虛擬儀器軟件規(guī)范(virtual instrument software architecture, VISA)庫，VISA是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA總線軟件是一種虛擬儀器系統(tǒng)的綜合I/O接口軟件，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來對(duì)USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試[9]。在本系統(tǒng)中采用VISA來對(duì)串口進(jìn)行編程，完成對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控設(shè)備的控制。

3.3.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

首先，在MAX中設(shè)置VISA資源，設(shè)置串口的波特率9600 bps,、數(shù)據(jù)位8位、無奇偶校驗(yàn)、停止位1、流控?zé)o等，這樣就可以在LabVIEW中與串口儀器進(jìn)行通信。

再使用VISA Read函數(shù)，讀取端口1(COM1)上連接的串口設(shè)備，可根據(jù)需求設(shè)置每次讀取的字節(jié)數(shù)。由于LabVIEW中接收到的數(shù)據(jù)都是以字符串的形式顯示的，故使用函數(shù)“字符串至字節(jié)數(shù)組”將接收的字符串轉(zhuǎn)換成數(shù)組的格式。這里測(cè)量的3個(gè)通道(ADC0, ADC1, ADC2)采集的數(shù)據(jù)分別為溫度，濕度和光照強(qiáng)度，且數(shù)據(jù)連續(xù)傳送，顯示為3種數(shù)據(jù)順序循環(huán)傳送的形式。為了同時(shí)顯示三者的變化曲線，從單片機(jī)連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)中提取出對(duì)應(yīng)相應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)流。可將每次采集的若干字節(jié)數(shù)據(jù)取前3個(gè)，形成一個(gè)3元素的數(shù)組。再采用Array Subset函數(shù)，分別取index=0, length=1的數(shù)據(jù)(濕度)，index=1, length=1的數(shù)據(jù)(溫度)和index=2, length=1的數(shù)據(jù)(光照強(qiáng)度)，即從VISA每次讀取的數(shù)據(jù)中抽取出對(duì)應(yīng)溫度，濕度和光照強(qiáng)度的兩個(gè)長度為1的子數(shù)組，分別繪制歷史曲線并顯示子數(shù)組元素的值。各參數(shù)變化走勢(shì)圖直觀明了。同時(shí)在while循環(huán)中加入定時(shí)函數(shù)來控制循環(huán)定時(shí)，設(shè)置每半秒采集一次測(cè)試數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集。

此處以設(shè)定區(qū)域1溫度上限為30，濕度為80，光照強(qiáng)度為500；區(qū)域2溫度上限為10，濕度為80，光照強(qiáng)度為100為例。前面板界面，如圖7所示：

圖7 前面板界面圖

區(qū)域1實(shí)時(shí)溫度為32.3，超過上限，報(bào)警燈亮。區(qū)域2光照強(qiáng)度為106.6，超過上限，報(bào)警燈亮。此程序具備兩個(gè)功能：1）可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的采集與顯示。2）可設(shè)置溫濕度、光照強(qiáng)度上限，若超過設(shè)定值，則預(yù)警燈亮。

4 結(jié)論

該無線監(jiān)控系統(tǒng)通過對(duì)STC12C5A60S2單片機(jī)，XBee無線通信模塊，傳感器等模塊實(shí)現(xiàn)了一種可靠、高效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。且所設(shè)計(jì)的電路硬件模塊功能完整、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高可靠性和高效益的目的，并利用LabVIEW中的VISA對(duì)單片機(jī)串口進(jìn)行了編程，實(shí)現(xiàn)了串口與LabVIEW之間的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了溫濕度及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示和預(yù)警，完成了對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，若增加多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，亦可實(shí)現(xiàn)由監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)并識(shí)別倉庫不同區(qū)域的同時(shí)工作的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的輸入端口具有多樣性，RS232、RS485、USB接口、以及自帶的ADC通道，使得多種傳感器、控制器可與之直接相連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳輸穩(wěn)定。由此可見，由ZigBee與單片機(jī)構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的多位置多環(huán)境因素的監(jiān)控是可行的，可在眾多領(lǐng)域得到良好的運(yùn)用。

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