基于IoT控制的便攜式血液運輸恒溫箱

馬子薇,李錫哲，宋 濤，徐曉輝

(河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401)

1 引言

傳統的血液恒溫箱主要有壓縮機制冷-電熱加溫恒溫箱和蓄冷型恒溫箱兩種。壓縮機制冷-電熱加溫恒溫箱由于采用傳統的壓縮機制冷，一般具有體積大、不易攜帶、有振動和噪聲、對電源要求嚴格、溫度波動范圍大、不能臥放等缺陷。而蓄冷型恒溫箱由于主要采用低溫相變蓄冷材料蓄冷，溫度難以準確控制、恒溫時間有限。

傳統的血液恒溫箱可以滿足日常醫療對于血液存儲的需求，但在如地震、泥石流的突發事件面前往往束手無策。由于突發事件發生后環境因素的制約，需要一款輕便易攜、溫度范圍容易控制、恒溫時間較長、獲取信息及時的血液運輸箱。因此，通過半導體制冷技術將恒溫箱體積減小，并引入了IoT技術、GPS/BDS系統、網頁制作技術，使這款恒溫箱具有了顯示運輸信息、可遠程監控的功能。

2 方案設計

基于IoT控制的便攜式血液運輸恒溫箱，利用TEC1-12706半導體片進行制冷/制熱、IoT技術實現遠程監控、網頁制作技術顯示信息、GPS/BDS模塊進行位置追蹤、GPRS傳輸芯片進行數據傳輸、STM32F103嵌入式系統實現數據處理、鋰電池輔以太陽能電池板進行供電。最終實現工作溫度調節范圍-18 ℃～24 ℃，溫度控制精度達±0.5 ℃，降溫及升溫速率≥5.0 ℃/min。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

3 設計原理

3.1 半導體制冷

3.1.1 主要原理

半導體制冷技術，又名熱電制冷技術，其主要原理是帕爾貼效應。對于PN結來說，帕爾貼效應指的是直流電流過導致在結點產生吸熱或放熱的現象。如圖2所示，利用三片金屬板和由PN結構成的電偶臂組成熱電偶，通以由N流向P的電流，其中兩片金屬板放熱，另外一片金屬板吸熱。將半導體制冷片吸熱的一端朝向恒溫箱內部，放熱的一端與散熱片相連，通過控制電流流向實現制冷與炙熱的調節，控制電流強弱控制溫度改變的速率。

圖2 帕爾貼效應原理

3.1.2 制冷片選取

由于制冷片制冷效率不高，如果要獲得較好的制冷效果，可以從以下3個方面進行提升。

(1)提高冷熱面的溫差。即加大熱端散熱器的散熱面積，提高散熱風扇的氣流量——加大功率，提高風速，加大葉片面積等，或者改用水冷方式也可以。

將制冷片的一面與散熱片相連，同時采用水冷式換熱類型，通入水進行降溫。

(2)提高工作電壓與電源功率。制冷片一般標準工作電壓在12V左右，可以提升至15V。但是提升電壓，會加大散熱器負荷，散熱效果變差，制冷片壽命減少。最終我們選擇12V工作電壓。

(3)采用更大型號的制冷片。制冷片尾數越大，電流越大，功率越大。但是單純增大功率并不可取，應該留有余量，保證壽命與穩定性。

在半導體制冷片的選取上，通過比較TEC1-12703、TEC1-12706和TEC1-12708三種型號制冷片在最大溫差、12V電壓下工作電流和制冷功率，再結合經濟效益、制冷要求，最后選擇了TEC1-12706制冷片，并且采用六片制冷片疊加的方式，增加制冷效率(表1)。

表1 不同型號制冷片參數對比

3.1.3 制冷結果

保證12 V電壓，環境溫度保持在27 ℃左右，在10 min左右的時間，恒溫箱內溫度下降到18 ℃。

3.2 物聯網技術

物聯網(The Internet of Things,簡稱IoT)，即物物相聯的互聯網，是在互聯網的基礎上將客戶端延伸和拓展到了物品和物品之間而進行信息的感知、傳遞和處理的技術。本項目利用物聯網技術實現對血液運輸恒溫箱的科學化管理，達到優化資源配置、降低生產管理成本的目的。

通過對箱內溫度、箱體位置進行實時監控，從而獲取血液狀態、急救地點的實時信息。這些數據通過網頁直觀明了地顯示出來，便于醫護人員對血液運輸、應急救援的遠程監控。可以在醫院實時觀察運輸或救援過程中恒溫箱的DS18B20傳感器采集的溫度信息和BDS/GPS采集的位置信息。這使血液運輸恒溫箱的狀態不再只是被攜帶的醫護人員感知、改變。

3.3 溫度控制算法設計

3.3.1 常規PID控制與計算機實現

為了實現對溫度控制的準確性和有效性，本恒溫箱采用了PID控制算法。PID控制算法在工業控制領域具有接受度高、應用廣泛、性能穩定、操作容易的特點。PID控制有三個基本要求：比例(proportional)、積分(integral)和微分(derivative)。

在本設計中實現PID控制的原理如下：先設定一個溫度值，并將溫度傳感器PT100采集到的箱內溫度信息設為c(t)。再將給定值與實際值相減得到控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-c(t)。然后對偏差進行比例、積分和微分的線性組合運算，得到控制量u(t)，將其輸入到受控對象進行控制。其連續公式為：

(1)

式(1)中：KP是比例系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數。

然而由于模擬PID控制器的輸入輸出均為模擬量，當使用計算機實現PID控制算法時則要求輸入輸出均為數字量。此時可以通過離散化的方法將其轉化為差分方程：

(2)

式(2)中：T為采樣周期，k為采樣序號，u(k)為第k次采樣時計算機的輸出值，e(k)為第k次采樣時輸入的偏差值。

此時將一階微分用一階差分替代，將積分用累加和替代。

再將差分方程進行Z變換，最終得到：

(3)

圖3 PID控制原理

3.3.2 模糊PID控制

雖然常規PID控制原理簡潔且具有較好的魯棒性，但是對于系統模型參數要求較高。在面對具有如延時、滯后、非線性等復雜特性的受控對象時，系統的控制性能明顯下降。顯然，對于溫度精確度要求較高的恒溫箱來說，常規PID技術不能滿足控制方面的需求。由此引入較為較為先進的控制算法——模糊PID控制。

模糊PID控制在傳統的PID控制基礎上加入了模糊推理機制，因而對受控對象的時滯性、非線性具有較強的適應能力，提高了系統的控制性能，保證了系統的穩定性。

基于本恒溫箱的溫度控制需求，引入溫度誤差e和溫度誤差變化率ec，將溫度誤差和溫度誤差變化率通過給定的模糊控制規則進行模糊推理，從而實現對原來的比例系數KP、積分系數KI和微分系數KD的調整，能較好地適應外界環境的變化。

3.4 硬件系統設計

本系統硬件模塊主要由電源模塊、傳感器模塊、數據傳輸模塊、控制模塊、制冷制熱模塊、外部輸入模塊及顯示模塊組成。以STM32F103作為處理器，通過DS18B20和PT100組成的傳感器模塊傳輸溫度，采用GPRS通訊模塊的SIM900A進行數據傳輸，最終將信息顯示在LCD液晶屏上。

3.4.1 電源模塊

電源模塊由兩部分組成——直交流轉換裝置和太陽能電池板。

直交流轉換裝置。將220 V，50 Hz的市電通過降壓、整流、濾波、穩壓電路轉換為12 V的直流電，最終通過鋰電池存儲電能從而給恒溫箱供電。

太陽能電池板。由于本恒溫箱主要應用于突發事件中的血液運輸，所以周圍環境條件相對比較惡劣，僅僅依靠USB接口和鋰電池組恐怕難以長時間維持恒溫箱的正常工作，而太陽能電池板正好彌補了這一缺陷。采用單晶硅太陽能電池板，通常情況下光電轉換效率為18%左右，在所有種類太陽能電池中轉換效率最高。此外，單晶硅太陽能電池板還具有堅固耐用、綠色環保、易于攜帶等優點(表2)。

表2 單晶硅太陽能電池板參數

3.4.2 傳感器模塊

采用單總線數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20溫度傳感器集溫度測量和A/D轉換于一體，可以直接輸出數字量，工作電壓范圍為3～5.5 V測量范圍為-55～+125 ℃，通過內部編程可以實現9/10/11/12位四中溫度檢測分辨率。其與單片機組成的硬件電路結構較為簡單，成本較低(表3)。

表3 DS18B20數據輸出與對應溫度值

3.4.3 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊主要由單片機和GPRS通訊模塊構成。單片機采用STM32，進行主控；GPRS通訊模塊采用SIM900A模塊，通過接收主站指令、根據主站指令返回相關信息實現遠程通訊。

由SIMCOM公司出品的SIM900A模塊，工作頻段為雙頻900/1800 MHz，可以低功耗實現數據的傳輸；支持5～24 V工作范圍，方便與產品連接；采用SMT封裝，易于生產加工；TTL電平串口自適應兼容3.3 V和5 V單片機，可以直接連接STM32單片機；待機模式電流18 mA左右，休眠狀態可設置在2 mA左右的低功耗。

3.4.4 控制模塊

控制模塊由STM32F103 微控制器及其最小系統組成，是一款32位的單片機芯片。具有72 MHz較高速率的晶振，內嵌4～MHz高速晶體振蕩器；FLASH的存儲量高達256KB，CPU能以0等待周期訪問；擁有7個定時器，其中16位定時器有3個；電源電壓在2.0～3.6 V間；擁有80個快速多功能雙向5 V兼容I/O口；通信端口多達9個。

通過STM32F103 微控制器不僅可以在上電后控制各個模塊開始工作，還可以判斷采集到的數據信息，從而對相應的控制電路做出反應。

3.4.5 外部輸入及顯示模塊

外部輸入模塊即鍵盤，使醫護人員可以直接對巡夜運輸箱進行設置和操作。鍵盤的每個按鍵信號與STM32的PA口連接，將按下按鍵、彈起按鍵與電容的充放電結合在一起，從而控制電平的高低，實現對相應功能的控制。

顯示模塊包含LCD液晶顯示屏及相應模塊，可以將采集到的數據信息以數字形式顯示出來。數據信息主要包括各個模塊的工作狀態——DS18B20、ATCM332D、SIM900A，以及箱體位置信息——經緯度，內外部溫度信息和控制模式。主要利用具有圖形點陣功能的HS12864顯示器，將其與STM32的PB口相連進行數據交流。

4 外觀設計

共設計了兩種便攜式血液運輸恒溫箱，第一代恒溫箱箱體由EPP發泡板構成。EPP又稱聚丙烯發泡樹脂，與其他保溫材料不同，具有高隔熱性能、高強度、高回彈性、耐沖擊、不易破損等優良性能。其質量小，便于攜帶，在緊急救援過程中，發揮著更加優越的作用。箱體外部尺寸為395 mm×275 mm×310 mm(圖4)。

圖4 第一代恒溫箱實物

第二代恒溫箱為鋁皮材質，周邊直角全鋁合金架，具有鐵包角，高密度多層鋁膜板材。采用鋁制外殼使恒溫箱不僅具有結構堅固、外形美觀的特點，而且有利于制冷片的良好散熱，可以有效提高制冷片的工作效率。箱體外部尺寸為420 mm×300 mm×240 mm(圖5)。

箱體表面以白色為基本顏色，正面采用手捧血滴的紅色圖案，作為血液運輸的標志；人性化設計的提手，內里弧度使得使用者在提箱時受到的阻力更小；高品質壓鑄工藝生產的安全鎖扣，不掉色、強度大、安全、不生銹、更耐用。加固的對稱合頁設計符合使用的需要，合頁四角用鉚釘來加以固定使箱子牢固、支撐性好、安全；箱子底部采用4個圓柱形底座的設計，使箱子更加平穩，平時還能有效防止箱底磨損。

圖5 第二代恒溫箱實物

5 結語

本設計針對現有血液運輸恒溫箱種類和功能以及血液運輸市場，主要應用于突發事件后保障血液的運輸。產品具有特定的使用范圍、專業性強，通過低壓直流電/鋰電池組供電，使產品能夠在高復雜、惡劣環境下正常工作，具有高可靠性與便攜性；基于TEC原理，采用半導體制冷片，使產品啟動時間短，溫度控制精密，能夠迅速進入工作狀態；在恒溫箱的控制系統中引入IoT技術，使恒溫箱的各項數據能夠通過網絡上傳至服務器，并通過網頁直觀的顯示出來；在恒溫箱上安裝BDS、GPS系統，通過實時位置追蹤，優化運輸與配送效率；搭建服務器處理恒溫箱發送到服務器端數據，并在PhP環境中通過HTML及MYSQL技術制作網頁及相應數據庫，將相關信息直觀明了地展現出來。