基于433MHz無線通訊的溫濕度監控系統開發

王吉鳴，呂穎瑩，樓理綱（浙江大學醫學院附屬第一醫院，浙江杭州 310003）

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基于433MHz無線通訊的溫濕度監控系統開發

王吉鳴，呂穎瑩，樓理綱
（浙江大學醫學院附屬第一醫院，浙江杭州 310003）

〔摘要〕由于醫院環境復雜、醫用冰箱分布雜亂，造成對冰箱溫濕度監測以及環境溫濕度監測困難多、實現難。本文研制一款基于433MHz無線通訊的溫濕度監控系統，并在此基礎上提出了兩項關鍵軟件算法，改善433MHz的無線通訊協議，使得本系統的無線數據傳輸穩定，數據完整度高，在斷電、主機損壞等異常條件下，測點終端仍能完整保存測量數據，待系統恢復正常補償歷史數據。經試驗表明，本系統對溫濕度數據的穩定傳輸率達96.5%，溫度異常正確報警率高達99%。

〔關鍵詞〕溫濕度；智能監控；無線通訊；433MHz

0　引言

隨著生物醫藥產業的發展，對溫度變化敏感的生物制劑和藥品品種不斷增加；另一方面隨著醫院管理品質要求的提高，對環境以及藥物儲存冰箱的溫濕度監控的需求和要求也在不斷提升[1]。基于485有線通訊的溫度監測裝置在現階段已被使用至一些復雜情況下的溫度監測，但是此方法對通訊物理鏈路依賴性大，一旦通訊鏈路某一段出現故障，可能會導致整個系統癱瘓，所以目前也推廣出一部分基于無線通訊的溫度監測裝置[2]。針對醫院環境以及冰箱分布的復雜性，市面上普遍采用的基于Zigbee協議、SPIN路由協議、DD路由協議的無線傳感網絡已經不能滿足要求，其主要待解決問題是傳輸距離短、穿透能力較差、通過密閉性能好的醫療實驗室或進行遠距離信號傳輸效果很差[3]，所以研制一款針對醫療冷藏品及醫院環境這一特定環境中使用的溫濕度監測裝置很有必要。

本文主要介紹一種基于433MHz頻率的無線路由協議的溫濕度監測系統。基于433MHz無線通訊協議的傳感網自組織能力強，通訊穩定性，裝置溫濕度檢測效果良好，且具備數據存儲，可廣泛應用于醫療機構的各類工作場所——如藥庫、血庫、病房等大空間的溫度監控，也可用于保存醫用血液、生物制劑，體液標本和藥品等各類冷藏設備的溫度監控使用。

1　系統方案設計

433MHz無線通訊溫濕度監控系統由多個測點終端、兩個管理主機和上位機軟件組成，具體運作效果如圖1所示，其中冰箱溫度監測器和環境溫濕度監測器均可作為測點終端，兩個管理主機分為主集匯器和副集匯器。

實際工況中，冰箱或冷庫的溫度監測器和環境溫濕度監測器實時監測溫濕度信息，主集匯器通過呼喚方式呼叫每個測點終端將檢測得到的溫度和濕度信息通過無線網絡發送出去，主、副集匯器均具備數據接收發送、存儲功能，并具有智能報警功能，且兩者相互獨立工作，若其中一臺失效，另一臺可代替工作，但實際工作中主集匯器優先級高。

圖1　433MHz無線通訊溫濕度監控系統結構圖

對于無線數據通訊存在的主要問題[4，5，6]，本系統做了針對性解決方案：（1） 測點之間通訊距離過遠。可通過周圍其他測點終端接力傳送數據，此時該測點終端具備路由節點和測點終端兩個功能，極大地提高數據鏈路可靠性，減小了源測點終端的發送功率；（2） 遇主機故障或接力終端故障，無法傳輸數據。測點終端能自動保存并備份數據，待主機或終端恢復正常通訊后續傳歷史數據，確保傳輸數據的完整性。

2　433MHz無線通訊溫濕度監控系統硬件設計

433MHz無線通訊溫濕度監控系統硬件設計如圖2所示。

對于醫學存儲冰箱而言，溫度要求主要分為以下幾種：22℃恒溫冰箱、2～8℃的低溫冰箱、-15～30℃的中低溫冰箱以及-30～50℃的超低溫冰箱，所以對溫度傳感器的選擇比較嚴格。本裝置溫度采集選用AD7416數字溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125℃，具有分辨率和精度高的特點[7]。溫度傳感器的制作工藝添加黃銅包裹灌膠的技術，確保傳感器穩定工作；濕度采集選用SHT11數字濕度傳感器，其測量相對濕度范圍為0～100%RH，測量精度為±2%RH[8]。

無線通信模塊的選擇直接影響無線網絡的可靠性。無線通訊模塊采用CC1101，它是TI公司生產的高性能無線通信芯片，其電路主要設定為在315、433、868MHz和915MHz 的ISM（工業，科學和醫學）和SRD（短距離設備）頻率波段，也可以容易地設置為300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其他頻率。CCl101集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式，其數據傳輸率最高可達500kb/s。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。在發射狀態下，其發射功率可編程調節，其最大發射功率達到+10dBm，且接收靈敏度可達-110dBm，抗干擾能力強，功耗較低。無線射頻模塊電路設計如圖3所示。

圖2　433MHz無線通訊溫濕度監控系統硬件框圖

圖3　CC1101射頻電路

STC單片機與射頻芯片之間采用SPI接口，此方案具有電路結構簡單、速度快、通信可靠等優點。

為便于后期對溫濕度采集器的校準，本裝置設置了線性調整按鍵模塊。在溫濕度校準過程中，當本裝置溫濕度采集器的溫濕度變化較計量院標準件溫濕度變化呈線性關系時，可通過按鍵模塊，線性調整本裝置的溫濕度參數值，使得本裝置測量誤差度降至最低。

3　433MHz無線通訊溫濕度監控系統軟件設計

3.1主流程設計

STM32F103微處理器是目前的主流控制芯片，其功能強大、編程函數庫龐大的特點在很大程度上已經超過51單片在控制工程上的應用，本裝置即采用STM32作為主控制芯片，以Keil軟件為平臺，編寫溫濕度采集器和主、副集匯器控制程序，主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

程序模塊主要包括主程序模塊、溫濕度采集程序模塊、CC1101無線收發模塊、按鍵模塊和顯示模塊。

3.2基于433MHz的無線通訊軟件設計

由于醫院、血站等醫學單位空間分布復雜，冰箱的安排位置雜亂，普通的433MHz無線通訊協議已不能很好滿足此環境下數據通訊的要求，所以本文在433MHz無線通訊協議的基礎上提出了2項關鍵算法，算法流程如圖5所示。

關鍵算法一即心跳包算法，顧名思義主集匯器每個單位時間周期向每個測點終端發送帶地址碼的心跳包，當相應地址的測點終端收到心跳包后，則向主集匯器發送當前時刻測點終端檢測得到的溫濕度信息。另一方面當某個測點距離主集匯器或副集匯器過遠時，且該測點又監聽到附近測點在持續一段時間內有連續的心跳反應，則判定該測點由于距離主、副集匯器的距離過遠導致無法接收到心跳包，此時測點將數據發送至距離它最近的活動測點，發送自身數據，保證每個測點數據均能正常穩定的被接收。

關鍵算法二即智能識別測點或主集匯器故障，當距離主、副集匯器過遠的測點在長時間未收到心跳包，且無法監聽到周圍測點的心跳反應，測立刻啟動接收功率放大模式，擴大范圍監聽周圍測點心跳反應，若此時可以監聽得到心跳反應，則說明距離此測點較近的測點發生故障；若放大接收功率仍無法監聽得到心跳反應，則說明主集匯器故障。上述兩者情況下，測點均會保存失效心跳反應后的數據，等待網絡維護。

3.3監控終端設計

上位機界面主要包括用戶登錄界面、科室顯示界面、各測點數據顯示界面及曲線、報警設置界面以及數據庫，界面采用Microsoft Visual studio2005軟件開發，以Windows采用目前最流行的C#編程。主集匯器或副集匯器通過無線得到各測點溫濕度監測器的信息后，通過485轉串口將數據發送至PC機。

圖5　基于433MHz的無線通訊關鍵算法流程

4　實驗測試

4.1系統穩定性試驗

本文通過人為破壞手段，對系統的穩定性進行測試。以浙江大學醫學院附屬第一醫院靜脈配置中心測點為例，在2014年9月20日和2014年9月10日對主、副集匯器進行人為斷電測試，通過數據顯示，經3.2節中提及的關鍵算法二處理，該測點可有效保存主、副集匯器在故障期間的測量數據，并在系統恢復正常后正確補償丟失數據，且該數據丟失情況可在顯示界面上顯著體現。通過大量的實驗數據可得，基于433MHz無線通訊溫濕度監測系統對溫濕度數據的穩定傳輸率達96.5%，溫度異常正確報警率高達99%。

圖6　溫濕度對比試驗

4.2系統檢測準確性試驗

判斷系統是否符合要求不僅要從穩定性判斷，而且還要滿足系統的測試要求，本裝置通過溫濕度采集對比實驗監測系統數據監測準確性是否滿足要求，對比標準件為浙江省計量院認證的溫濕度標準件，實驗工況分別為22℃恒溫冰箱、2～8℃的低溫冰箱、-30～50℃的超低溫冰箱以及危險品藥物儲存庫，對比結果如圖6所示。

通過圖6的溫濕度檢測對比數據可知，本文設計的基于433MHz無線通訊的溫濕度監測系統的檢測效果良好，對于上述3個溫度工況條件下均能有效根據冰箱溫度變化，且測量結果較標準件的誤差均小于（-0.2℃，+0.2℃），該誤差范圍嚴格滿足醫用冰箱為溫度檢測的要求。另一方面，通過比對濕度檢測的實驗結果可知，本裝置測量結果較標準件誤差最大為5%RH，這是因為藥庫經常有工作人員出入，濕度傳感器對環境濕度變化敏感，所以引起較大的比對誤差，但是（-5%RH，+5%RH）也均可滿足環境濕度檢測要求。

5　總結

本研究項目完成一套基于無線傳感網絡的溫濕度監控系統，并在433MHz無線通訊協議的基礎上提出了兩項關鍵算法，大大改善了通訊穩定性，且系統對溫濕度的檢測效果良好。隨著醫院信息化管理要求的不斷提高，醫療系統應用的需求非常廣闊，此裝置具有很好的技術應用和產業化前景。

［參考文獻］

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Development of a temperature and humidity monitoring system based on 433MHz wireless

Wang Jiming， Lv Yingying，Lou Ligang
（The First Affiliated Hospital of Zhejiang University， Hangzhou， 310003）

Abstract Objective：Temperature and humidity impacted on blood， biologics and medicine preservation. So temperature and humidity monitoring system based on 433MHz frequency wireless， Ad Hoc sensor network， was significant for it. System Proposed two key algorithms to solve wireless communication problem. Monitoring terminal and MCU constituted master-slave control system，that could monitor， record and analysis temperature and humidity the whole day. The test result by number of medical units showed that this temperature and humidity monitoring system has high precision， low failure rate， 99% accurate alarm rate and 96.5% data transmission integrity.

Key words：temperature and humidity； Intelligent monitoring； Wireless communication； Ad Hoc； 433MHz RF

收稿日期：2015-06-10

基金項目：浙江省教育廳科研項目(Y201328387)

〔中圖分類號〕TP27

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1002-2376（2015）09-0033-04