基于ZigBee的疫苗冷鏈運輸監測系統設計

田 肖，郭曉金，何 川，尹 超

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院 寬帶網絡及信息處理實驗室，重慶 400065）

基于ZigBee的疫苗冷鏈運輸監測系統設計

田 肖，郭曉金，何 川，尹 超

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院 寬帶網絡及信息處理實驗室，重慶 400065）

醫用疫苗作為一種高風險的生物藥品，在其運輸過程中，環境狀況監測等方面智能化程度不高。針對這種情況設計了一種基于ZigBee的疫苗冷鏈運輸監測系統，此系統以CC2530作為協調器和采集節點組成無線傳感網絡，再經由協調器把采集的溫度、濕度、震動等傳感器數據傳遞給STM32來實時顯示疫苗環境狀況，最后由STM32采集地理位置信息，然后一并將所有數據和報警信息通過GPRS傳輸至后臺上位機進行全方位監控。經過測試和分析得出，本系統具有低成本，低功耗，組網靈活和實用性強等優點，可以廣泛應用于疫苗運輸環境監測領域。

疫苗；ZigBee；STM32；監測系統；冷鏈運輸

1 引言

近年來伴隨著我國疫苗接種量的急劇增加，人們對人體接種疫苗的安全問題越來越重視，我國每年疫苗接種量高達7億，這個數字還在持續增長。疫苗分發到全國各地，絕大多數都會通過道路運輸，由于疫苗對周圍環境要求較高，運輸過程中容易受到溫度、濕度的影響，難以保證安全儲存[1]。如何實現對疫苗運輸過程的安全高效監管，避免接種疫苗受損致使其對人體造成傷害，已經成為當今社會亟待解決的問題。

目前國內外對疫苗運輸過程監管的智能化程度不高，有的國家及地區使用了一些智能技術，大多是對整個車廂進行一定的溫濕度監控，并沒有對每一箱疫苗進行具體的環境監測和記錄，并且這些措施缺乏主動的監控預警技術。近年來電子信息技術的快速發展為疫苗的物理運輸行業帶來了新的契機，利用先進的電子技術設備，可以有效降低接種疫苗在運輸過程中的損失，提高其品質。

本課題針對疫苗運輸行業的特殊背景和監測需求，設計了一套簡潔易用、小型便攜、穩定性強的系統[2]，用于監測車輛運輸狀態和記錄疫苗環境信息，從技術實現角度為疫苗冷鏈運輸跟蹤監測提供一個可測試可優化的解決方案[3]。

2 系統整體框架設計

疫苗冷鏈運輸環境監控系統如圖1所示，主要由三部分組成：移動監測端、車載顯示端、遠程監控端。

圖1 系統整體框架圖

移動監測端由基于ZigBee的終端節點和協調器組成，ZigBee終端采集節點安裝在疫苗存儲箱中，主要負責采集運輸車廂內每一箱疫苗的環境狀況以及環境信息的發送。其環境信息主要包括溫度、濕度、震動等。協調器主要負責匯聚所有終端節點傳遞來的傳感器數據并通過串口發送給STM32開發板。車載顯示端在車輛駕駛室，主要由STM32嵌入式模塊、GPS定位模塊以及GPRS無線通訊模塊組成，其主要功能是處理通過LCD顯示協調器傳遞過來的環境狀態信息以便跟車人員實時知曉，還通過GPS定位模塊采集實時地理位置信息，最后把所有環境數據經由GPRS模塊發送給遠程監控端。遠程監控端主要由數據庫和上位機軟件兩部分組成。數據庫主要負責儲存移動監測端采集的疫苗環境狀態數據以及報警信息，上位機軟件主要實現疫苗的環境狀態信息和報警信息的實時顯示，以及歷史數據的查詢、刪除、打印等操作，并通過百度地圖實現運輸車輛地理位置查詢及顯示。

3 系統硬件設計

系統硬件主要分為ZigBee傳感網絡模塊和STM32顯示及采集模塊。

3.1 終端采集節點設計

ZigBee終端采集節點以及協調器都以TI公司的CC2530F256為核心進行設計，CC2530是針對2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一個片上系統解決方案，理論上其無線傳輸距離在0到400m，傳輸速度最高可達250kbps，其內部集成一顆增強型8051CPU內核和高性能的RF收發芯片，滿足了本系統的低功耗和低成本要求[4]。

終端采集節點主要功能是疫苗運輸過程中所處環境信息的采集、處理、發送，除此之外終端采集節點還具有報警功能，即當疫苗所處環境異常時主動向協調器發送報警信息，比如車身顛簸過大，疫苗箱內溫濕度超過設定的安全閾值等。終端采集節點硬件結構如圖2所示。

圖2 采集節點硬件結構圖

采集溫濕度主要使用DHT22這種高靈敏度數字傳感器，其通過單總線方式與CC2530的數字I/O端口P0_1直接相連，通過軟件模擬DHT22時序采集溫濕度數據。SW-420震動傳感器功率小、成本低且靈敏度可調節，能滿足系統性能需求，與DHT22一樣，SW-420直接與CC2530 P0_6端口相連，通過端口接收到的高低電平判斷是否產生震動，但終端節點不用重復采集震動傳感器數據，震動傳感器只作為報警使用，當疫苗存儲箱震動到一定程度時終端節點通過ZigBee網絡向車載顯示端和遠程監控端發送報警提示信息，故在硬件程序中把CC2530 P0_6端口設為中斷觸發模式，通過中斷方式產生震動報警信息。為了便于攜帶安裝，終端采集節點采用5V電池組供電，由于電路中要用到3.3V電壓，所以需要5V-3.3V電壓轉換電路，電壓轉化芯片使用REG117-3.3。此外協調器主要負責接收和發送數據，除了沒有傳感器模塊，其硬件結構與采集節點相同[5]。

3.2 車載顯示端硬件設計

車載顯示端主要采用STM32F767作為處理器，該處理器以Cortex-M7為內核，具有低成本高性能的優勢[6]，同時使用與STM32F767配套的7寸RGB液晶顯示屏作為顯示設備。采集地理位置信息的GPS模塊使用U-blox公司生產的低功耗小型化的NEO-7N模塊，車載顯示端需要把協調器傳遞來的數據通過GPRS無線網絡發送到遠程監控端，此次設計中GPRS模塊采用SIM800C作為無線發送模塊。車載顯示端的硬件結構如圖3所示，連線中間文字表示通信方式。

圖3 車載顯示端硬件結構圖

為了防止GPRS出現網絡故障造成大量數據丟失，故需要將傳感數據存儲到SD卡中，STM32采用SPI接口與SD卡進行數據交互，并通過移植FAT32文件系統，可以方便快速地讀取SD卡中數據。

4 系統軟件設計

系統軟件主要分為采集節點、車載顯示和上位機三部分。

4.1 終端采集節點軟件設計

傳感網絡通信軟件是基于TI公司提供的Z-Stack協議棧進行開發，同時整個開發環境IDE使用IAR工具[7]。

ZigBee采集節點加入網絡后，會自動周期性采集數據，其默認采集周期為5min，為了減小誤差每次采集7組數據，采用去極值法即去掉最大值和最小值然后取平均值發送，無線發送周期也為5min，當溫濕度值超過報警閾值采集周期將自動轉換為2min。采集節點還需根據采集的數據自動判斷是否發送報警信息，終端采集節點軟件流程如圖4所示。系統中協調器功能相對簡單，主要負責接收采集節點數據和通過串口給STM32發送數據，只需要在Z-Stack協議棧中初始化并使用相關串口即可。

圖4 采集節點軟件流程圖

4.2 車載顯示端軟件設計

車載顯示端除了要實時直觀顯示協調器發送來的疫苗環境信息，還要采集車輛地理位置信息，并把地理位置信息和疫苗所處環境信息發送到遠程監控端。地理位置信息采集周期為2s與終端采集節點不同，故在車載顯示端程序中創建兩個線程分開發送疫苗環境狀況和地理位置信息。此外當GPRS出現網絡故障時要儲存數據，當網絡恢復時進行數據補傳。在STM32F767中是通過FMC接口來控制TFTLCD的顯示，FMC即可變存儲控制器，這里不做詳細表述。從軟件層面講使用FMC非常方便，只需在程序中初始化FMC的時鐘和接口讀寫參數等，WR（寫）、RD（讀）、DB0-DB15這些控制線和數據線，將都會由FMC自動控制。車載顯示端總體軟件流程如圖5所示。

4.3 上位機軟件設計

上位機軟件主要負責將遠程傳遞來的傳感器數據和地理位置信息進行解析，然后可以直觀清楚的在監控界面上觀測疫苗運輸車的地理位置，以及車廂內每箱疫苗的溫度、濕度和疫苗儲存箱震動情況。本文采用了QT這種圖形用戶界面應用開發框架來設計上位機監控軟件，其軟件總體框架如圖6所示[8]。

圖5 車載顯示端軟件流程

圖6 上位機軟件框架

4.3.1 人機界面。基于用戶思維和工作模式，人機界面的主要特點體現在友好性、交互性和靈活性。因此在軟件設計中加入了詳細的軟件操作流程和提示，此外為防止數據被意外的刪除和篡改，在軟件操作中加入了回滾機制和用戶權限限制[9]。為了使數據在監控頁面上更加生動和直觀，把監控頁面分為疫苗狀態窗口和地圖定位窗口，在數據查看模塊中通過設計智能分析功能可以對所記錄的數值以圖文表的形式輸出，這些都極大地方便了管理人員的分析和管理，能客觀真實反映記錄過程。

4.3.2 地理位置信息提取及地圖顯示。系統中采用的NEO-7N定位芯片遵循NMEA-0183協議,每幀數據采用ASCII碼來傳遞定位信息。每串數據以“$”起始，以回車換行結束。中間用“，”分割不同的數據內容。STM32采集GPS數據后根據NMEA-0183協議定義的數據格式提取出經度和緯度。并把判定為有效的定位狀態（A:定位狀態有效，V:定位狀態無效）以“N-緯度，E-經度”的數據格式發送到上位機。

為了遵循國家對地理信息保密要求，所有電子地圖提供商都必須給地圖數據加上偏移量和加密。所以上位機需要將GPS采集的原始坐標轉換成百度地圖坐標[8]。百度地圖免費為廣大消費者提供了豐富的API接口，其坐標轉換API接口分為單個坐標轉換接口和批量轉換接口，由于系統中需要同時顯示多輛運輸車輛的地理位置，故使用BMap.Convertor.transMore接口函數進行批量坐標轉換[9]。在QT中嵌入百度地圖的過程是：首先獲取到百度地圖的api key，先調用百度地圖，其次在QT界面上集成一個WebKits/Web-View控件，讓Qt和Javascript進行交互，然后在網頁源碼中實現操作及其功能。其網頁源碼中的顯示流程如圖7所示。

圖7 百度地圖顯示流程

5 系統測試

系統設計完成之后，對整個系統進行了測試，移動監測端采用8個ZigBee終端采集節點和一個ZigBee協調器，終端采集節點放在設計好的冷藏箱中并把冷藏箱放在一輛運輸車廂里面。車載顯示端所有硬件及顯示設備放在車輛駕駛室固定位置，并通過串口線和車廂內協調器相連。此次測試通過人為方式使7號冷藏箱和8號冷藏箱產生異常情況的方式來檢驗報警功能。測試結果表明，系統溫度誤差范圍為±0.5℃，濕度誤差范圍為±2%RH，報警信息反饋及時，定位精度為5m，且鋰電池供電的終端采集節點可以連續工作180個小時以上。遠程監控端能同步收到數據信息，上位機監控軟件實時監測情況如圖8所示。綜合所有測試結果，經過分析表明本系統能滿足疫苗冷鏈運輸過程中的狀態監測需求，但也還存在一些不足，例如上位機軟件比較簡潔，友好性不夠，這些都還需進一步提高和完善[10]。

圖8 上位機監控界面

6 結束語

本文設計的基于ZigBee的疫苗冷鏈運輸環境監測系統，利用傳感器，ZigBee的無線自組網和GPS全球定位系統實現了對醫用疫苗運輸過程中的全方位實時監測，再加上遠程監測中心，可以有效的降低疫苗物流運輸過程中的損失和疫苗受損所帶來的危害，有很重要的現實使用價值。

[1]唐昕營,周東明.“山東疫苗事件”評析[J].中國科學:生命科學,2016,46:779-781.

[2]苑宇坤.基于ZigBee和百度地圖的危化品運輸跟蹤監控系統研究[D].太原:中北大學,2016.

[3]楊朋偉.一種低功耗ZigBee數據采集方法[J].科技視界,2015(5).

[4]楊景明.基于ZigBee的無線傳感器網絡低功耗節點設計[D].大連:大連理工大學,2014.

[5]甘志強,王科,楊志勇,等.基于ZigBee技術的低功耗智能氣象傳感器設計[J].電子測量技術,2015,(2):96-100.

[6]朱銀龍.基于GPS/GPRS/RFID的車載監控系統設計與開發[D].南京:南京航空航天大學,2014.

[7]蔡國浩.支持多協議的無線通信網關的研究與實現[D].成都:電子科技大學,2016.

[8]陳榮超,陳光武.基于BDS/GPS和百度地圖的現代有軌電車監控系統的設計[J].計算機測量與控制,2015,23(10):3 412-3 414.

[9]文立家.基于GPRS的電子公交站牌系統的設計[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2015.

[10]Knutti F,Tobler N,Mathis H.Low-power voting device for use in education and polls employing TI's CC2530 RF CHIP[A].E-ducation and Research Conference IEEE[C].2014:221-224.

Design of Vaccine Cold Chain Transport Monitoring System Based on ZigBee

Tian Xiao,Guo Xiaojin,He Chuan,Yin Chao
(School of Communication&Information Engineering,Chongqing University of Posts&Telecommunications,Chongqing 400065,China)

In this paper,we designed a ZigBee-based vaccine cold chain transport monitoring system.It is a wireless sensor network composed by coordinators and collecting nodes,of which,the coordinator would pass the collected data on temperature,humidity and vibration,etc.,on to the STM32 for the real-time display of the vaccine situation and meanwhile the STM32 would collect geographical and location information and send it,together with the above

,and all warning information,through GPRS,to the backstage upper computer for comprehensive monitoring.At the end,through testing and analysis,we demonstrated the strength of the system and its feasibility in vaccine transport environment monitoring.

vaccine;ZigBee;STM32;monitoring system;cold chain transport

F253.9;U16

A

1005-152X(2017)09-0175-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.09.040

2017-08-08

田肖（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：信號處理與片上系統、物聯網技術；郭曉金（1974-），男，副教授，博士，主要研究方向：信號處理與片上系統、物聯網技術。