生物安全潔凈室壓差實時監測系統設計

劉曉飛，王 斌，徐 博，呂 川，張良力

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

隨著生物、醫療、衛生事業的快速發展，在生物病毒研究、生物技術開發、遺傳基因工程、特殊醫療手術病房方面，越來越多的生物安全潔凈室相繼建立和投入，但是由于種種原因，潔凈室安全事故時有發生，例如在病原體研究實驗中，工作人員的發病率比普通人群高5～7倍，病原體逃逸出設施造成他人和動物感染的事例也有發生，所以加強生物安全潔凈室的科學防護尤為重要[1]。

對于生物安全潔凈室，房間靜態壓差控制是保證安全防護屏障的關鍵指標，要使潔凈室的負壓梯度得到穩定可靠的控制，就必須對潔凈室的壓差實現精確的實時監測[2-3]。本文基于GSM/GPRS無線傳輸技術設計了潔凈室壓差監測系統，GPRS網絡的無線組網方式是在原有工業以太網基礎上，以GPRS無線方式進行數據傳輸，既省去了有線網絡的布線成本，又增強了組網方式的靈活性和可擴充性[4]。最重要的是通過GSM功能可以實現短消息提醒功能，在潔凈室壓差控制不符合規定時，通知相關實驗室人員及時做好防護措施，能有效避免安全事故的發生。

1 系統總體設計

該監測系統主要由現場監測裝置和遠程控制中心上位機系統組成。現場監測裝置包括高精度空氣壓差傳感器和無線遠程通訊裝置，其中，空氣壓差傳感器選用了霍尼韋爾DPT52型，檢測數據經過變送器由RS485串行總線匯總傳送給通訊裝置。通訊裝置通過GPRS無線網絡將信息發送給工業以太網服務器，同時實現短消息提醒功能。遠程控制中心上位機基于FameView組態軟件編程實現PLC控制和系統監測，采用S7TCP通訊驅動和工業以太網進行通訊，實現數據的存儲和管理。整套監測系統數據傳輸穩定，可擴展性強，而且與工業以太網和PLC工業控制系統有效地結合在一起，實現了與工業控制系統的兼容，整體結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of system

2 無線通訊裝置設計

無線通信裝置主要實現傳感器信息的接收和遠傳。使用ATmega128微處理器作為主控芯片，結合RS485總線技術和GSM/GPRS無線通訊技術，實現數據的實時采集和傳輸。為了提高數據傳輸的精確性，無線通訊裝置還設計有物理地址撥碼器，通過撥碼器對每個通訊裝置定義不同的物理地址，再對路由器進行端口映射配置，就能允許特定的通訊裝置向工業以太網的某臺電腦發起連接，設定準確的數據傳輸線路。通訊裝置結構框圖如圖2所示。

圖2 通訊裝置結構框圖Fig.2 Structure diagram of communication module

2.1 通訊裝置主控單片機

系統選用由ATMEL公司研發出的RISC精簡指令集高速AVR 8位單片機ATmega128作為主控芯片。該單片機具有增強性的高速同/異步串口，具有硬件產生校驗碼、硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調整定位、屏蔽數據幀等功能。提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網絡和實現多機通信系統的復雜應用，加之AVR單片機指令執行速度高，中斷服務時間短，故可實現高波特率通訊。

2.2 GSM/GPRS無線通訊裝置

系統選用了SiemensMC55iT型三頻GSM/GPRS模塊來實現與工業以太網之間的數據交換和短信發送功能。具有普通GSM模塊的通話、短信、電話簿管理、CSD（電路交換數據）傳輸功能和無線GPRS傳輸功能，內置完整的TCP/IP協議棧，支持標準ITU-T的AT命令集，微處理器可通過串口將數據轉化成TCP/IP數據包進行發送[5]。

2.3 其他輔助模塊選型

系統時鐘芯片選用PCF8563，通過I2C總線與單片機相連，內部集成有振蕩器電容片、內電源復位功能和掉電檢測器，并配有電池，可以保證備份電源切換時數據不丟失。外部存儲芯片使用低功耗串行E2PROM芯片AT24C1024W，通過I2C總線與STC15L2K60S2相連，用于保存控制程序、系統參數、電話號碼，實現端口的掉電保護功能。

2.4 單片機RS485通訊技術

在工業控制等環境中，常會有電氣噪聲干擾傳輸線路，使用RS232總線通訊時經常因外界的電氣干擾而導致信號傳輸錯誤，而且傳輸距離短[6]。為了解決上述問題，本系統選用了RS485總線，可以有效增大生物潔凈室壓差信息檢測系統的網絡覆蓋范圍，增強了傳感器網絡的可擴充性。

RS485接口電路如圖3所示，系統選用了低功耗MAX485芯片，為半雙工模式。該芯片具有短路電流限制功能，并可以通過熱關斷電路將芯片輸出設置為高阻狀態，防止過度的功率損耗。同時接收器還具有失效保護特性，當輸入為開路時可以確保邏輯高電平輸出，并集成了有效的ESD保護措施。

為了更加可靠地保護RS485網絡，確保系統安全，對接口電路使用了光電隔離的連接方式，在屏蔽雙絞線輸入端使用6.8 V穩壓管進行鉗位，用來保護MAX485芯片，避免RS485收發器被RS485總線在受外界干擾（雷擊、浪涌）時產生的高壓損壞。并通過在輸入端加入LC濾波電路來提高電路的EMI性能，避免信號干擾。為提高RS485節點與網絡的可靠性和RS485網絡失效保護功能，在電路中接收端加入連接至A引腳的上拉電阻R7和連接至B引腳的下拉電阻R9，如圖3所示，用于保證無連接的MAX485芯片處于空閑狀態。另外，電路中光耦器件的速率將會影響RS485電路的通訊速率，本系統中的光電隔離器件選用了超高速光耦PS9614芯片，其傳輸速率可以達到10 Mb/s，可以完全滿足傳輸速率要求。

圖3 隔離式RS-485接收電路Fig.3 Isolated RS-485 receiver circuit

3 系統軟件設計

3.1 通訊裝置軟件設計

通信裝置主要實現GPRS數據傳輸、SMS短消息提醒、與PC機的無線數據傳輸等功能。首先是進行通信裝置的初始化和模式選擇：

1）GPRS模塊初始化：IP、端口設置、用戶端手機號碼、短信中心號碼初始化，GPRS網絡初始化；

2）緩沖區初始化：MODBUS報文緩沖區初始化、SMS短消息緩沖區初始化、裝置物理地址初始化；

3）模式選擇：通信模式（GPRS數據傳輸、SMS短消息發送），配置模式（IP和端口配置模式、數據處理傳輸模式）等。

完成系統初始化后，單片機通過MAX485接口芯片讀取485總線數據，并對數據進行解析將此數據與潔凈室壓差標準進行比對，再通過GPRS發送數據給工業以太網對應的路由器，若房間壓差數據不符合規范，則模塊通過SMS發送告警短消息給相關實驗人員，具體工作流程如圖4所示。

圖4 通信裝置程序流程圖Fig.4 Flow chart of communication module program

其中GPRS數據傳輸和PC機進行數據傳輸遵循MODBUS協議，其協議格式如表1所示。數據域內容為數據點號（2Bytes）+數據長度（1Byte）+數據（變長）+時間戳（6Bytes：年低 2 位/月/日/時/分/秒），CRC校驗域內容為CRC校驗碼高8位+CRC校驗碼低8位。

表1MODBUS協議格式Tab.1 Modbus communication agreement

3.2 網絡異常情況處理

由于在工業環境下系統容易受到其他電力線路的強電磁干擾，采用GPRS網絡和工業以太網的通信過程中會出現丟包的現象，所以在通訊裝置與上位機的通訊過程中采用了通訊冗余的機制。同時，為了增加通信的可靠性，保證GPRS網絡實時在線，系統使用GPRS模塊提供的“心跳包”功能，每隔一段時間向監測中心服務器發送一個TCP數據包，以確保網絡連接不斷線。若配網通訊裝置在90 s內沒有接收到“心跳包”，說明網絡已經出現異常。網絡異常發生30 s后，配網通訊裝置能夠自動斷開GPRS網絡并重新連接GPRS網絡，若重新連接網絡失敗則說明模塊可能出現問題，此時應重啟模塊恢復連接。

3.3 上位機軟件設計

上位機使用FameView組態軟件實現數據監測與PLC控制系統的結合，FameView軟件集數據采集、過程監控和數據管理于一體，它使用結構化組態，運行穩定，通訊及運行速度快。而且FameView具有自主的S7TCP和S7COM通訊驅動，可以直接使用計算機中的普通網卡實現和工業以太網通訊，設置簡單易于實現。現場運行情況如圖5所示。

圖5 上位機部分現場監控界面Fig.5 PC monitoring interface

4結語

經過現場的安裝與運行，監測系統能有效實現生物潔凈室壓差實時監測，系統具有數據傳輸可靠、組網靈活、網絡覆蓋范圍廣、可擴充性強、投資少、維護簡便等特點。并且在潔凈室壓差不滿足設計規范時能及時通過發送短消息通知相關實驗室人員，使得實驗員能夠做出及時有效的應對措施，預防可能產生的危害。隨著中國GMP標準的公布實施，愈來愈多的依賴于在凈化區域內生產和裝配自己產品的企業，對生產工藝潔凈的生產環境提出了更高的要求，以確保關乎產品成品率和產品質量可靠性的必備條件，在制藥廠、醫院乃至實驗室等對于環境要求較為嚴格的場所，更是對潔凈的室內環境提出了極高的要求[2]。因此，房間靜態壓差梯度作為保證安全防護屏障的關鍵指標，其實時監測系統將具有廣闊的應用前景。

[1]劉昊.淺析生物實驗室安全管理及其重要性[J].城市建設理論研究，2014（12）：26-29.

[2]朱江.房間壓力控制解決方案討論[J].工程建設與設計，2011（7）：94-97.

[3]杜世元.潔凈室壓力控制研究[D].上海：同濟大學，2007.

[4]馬銳，陳光建，賈金玲，等.基于Zigbee和GPRS的多參數水質監測系統設計[J].自動化與儀表，2014，29（10）：33-36.

[5]吳芳，劉亞利，馬昌喜.基于GPRS的危險貨物倉儲環境實時監測系統[J].北京理工大學學報，2013，33（8）：806-810.

[6]蔣政宏.基于RS-485總線的水輪機溫度監測系統[J].電力自動化設備，2011，31（5）：130-133.