基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫少平，周云波，李元峻，張俊

1. 云南省玉溪市人民醫(yī)院，云南 玉溪 653100；2. 玉溪師范學(xué)院，云南 玉溪 653100

引言

醫(yī)用冰箱是醫(yī)療機(jī)構(gòu)最常用的設(shè)備之一，主要用于臨床標(biāo)本、檢驗(yàn)試劑及血液制品的存儲(chǔ)，它的儲(chǔ)存條件是醫(yī)院臨床檢驗(yàn)質(zhì)量及臨床安全用血最基本的保障[1]。醫(yī)用冰箱內(nèi)部溫度過高或過低直接影響所存物品的安全性和有效性[2-3]。按照原國家食品藥品監(jiān)督管理總局頒布實(shí)施的相關(guān)規(guī)定，存儲(chǔ)臨床標(biāo)本、檢驗(yàn)試劑及血液制品的冰箱和冷庫都必須配有有效的監(jiān)測設(shè)備，需對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測[4]。

目前，玉溪市人民醫(yī)院已有三十多臺(tái)醫(yī)用冰箱，主要集中在檢驗(yàn)科、輸血科、核醫(yī)學(xué)科和醫(yī)學(xué)工程科。我院醫(yī)用冰箱的溫濕度監(jiān)測還是采用傳統(tǒng)的溫濕度計(jì)監(jiān)測，監(jiān)測的數(shù)據(jù)無連續(xù)性，經(jīng)常會(huì)存在缺失，記錄時(shí)間間隔長，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，不能達(dá)到監(jiān)測效果[5]。由于我院醫(yī)用冰箱數(shù)量較多、分布較為分散，難以實(shí)現(xiàn)集中化，已有的醫(yī)用冰箱還沒有形成統(tǒng)一的溫濕度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。庫房管理人員還需每天查看冰箱溫濕度并填寫記錄表，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且較為煩瑣，如何讓有限的人員在面對(duì)數(shù)十臺(tái)處于工作狀態(tài)的醫(yī)用冰箱時(shí)，能集中有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控內(nèi)部溫濕度情況，掌握箱內(nèi)儲(chǔ)存條件變化并在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)快速做出反應(yīng)，已經(jīng)成為亟待解決的問題[6-7]。

傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要采用有線的總線式布線方式，這種方式雖然穩(wěn)定性較高，但是隨著監(jiān)測點(diǎn)的增多，地理位置的分散，各種電纜分布比較繁多，線纜損壞時(shí)維護(hù)起來不方便；同時(shí)大多功能簡單，智能化程度低[8]。無法滿足大規(guī)模使用的醫(yī)用冰箱的實(shí)時(shí)和集中監(jiān)測需求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，給人們的生產(chǎn)和生活各個(gè)領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響[9-10]。利用物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感技術(shù)和云技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套醫(yī)用冰箱溫濕度集中監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24 h實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)并跟蹤管理，滿足醫(yī)用冰箱溫濕度遠(yuǎn)程無線監(jiān)測的各項(xiàng)要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣意義[11-12]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為兩部分，第一部分為前端采集接收模塊；第二部分為后端監(jiān)測系統(tǒng)。前端采集部分由微處理器、溫濕度傳感器、無線收發(fā)模塊組成，其作用是采集醫(yī)用冰箱和冷庫各測量點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)周期性的通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮罩鳈C(jī)；接收主機(jī)由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)組成，網(wǎng)關(guān)集中器通過以太網(wǎng)連接，將接收的數(shù)據(jù)以TCP/IP協(xié)議匯集到監(jiān)測系統(tǒng)云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。后端監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的匯總，顯示、查詢、存儲(chǔ)、分析和報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

常用的溫濕度監(jiān)測方法有常規(guī)溫濕度計(jì)、紅外測溫儀、光纖測溫等。這些測溫方法要么需要人工測量，要么造價(jià)較高，要么智能化低。無線溫濕度傳感器測量具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、智能化管理、方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。

本文選用維恩公司生產(chǎn)的NT59無線溫濕度傳感器測量醫(yī)用冰箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)，該傳感器可周期性采集醫(yī)用冰箱溫濕度并以無線方式將數(shù)據(jù)傳送給ET59物聯(lián)網(wǎng)關(guān)接收器。無線溫濕度傳感器由微處理器、溫濕度采集模塊、無線收發(fā)模塊、電源等封裝組成。其中微處理器模塊采用高性能、低功耗的8位AVR系列微處理器ATmega16L[13]，處理器與無線收發(fā)模塊通過SPI接口進(jìn)行通訊，對(duì)采集到的溫濕度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，再將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給其他模塊。微處理器作為控制裝置，主要負(fù)責(zé)中心運(yùn)算和控制，協(xié)調(diào)各個(gè)子模塊之間的工作[14]。

（1）溫濕度采集模塊采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的sht30集成式數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器測溫范圍為 -40℃ ～+85℃，測量精度為：±0.5℃（0～60℃），±1℃（其他溫度范圍），濕度測量精度：±3% RH（10%～90% RH）。

（2）無線收發(fā)模塊采用AMICCOM笙科電子公司推出的A7139芯片，該射頻芯片為AMICCOM第五代高效能晶片，工作頻率支持 1 GHz（300～950 MHz）以下免授權(quán)的ISM Band應(yīng)用。微處理器只需SPI協(xié)議即可驅(qū)動(dòng)A7139芯片進(jìn)行無線收發(fā)數(shù)據(jù)，單次數(shù)據(jù)包最大支持64字節(jié)。A7139芯片相比于以往的NRF24L01NRF905CC1101CC1020SI4432芯片，該模塊同時(shí)擁有超低接收電流與優(yōu)質(zhì)的通訊距離這兩大顯著特性[15]。無線通信往往需要電池供電，所以功耗指標(biāo)就顯得尤為突出，模塊結(jié)合A7139芯片的無線喚醒功能，大大延長電池的使用壽命[16]。

（3）無線濕度傳感器模塊內(nèi)部采用普通3號(hào)電池（3.6 V）供電，電池在上傳周期設(shè)置為5 min條件下可使用5年，無須頻繁更換[17]，滿足本院醫(yī)用冰箱的溫濕度監(jiān)測需求。此溫濕度傳感器通過設(shè)置不同的射頻參數(shù)實(shí)現(xiàn)多組共測，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，同時(shí)傳感器在正常模式下可設(shè)定參數(shù)周期性傳輸溫濕度數(shù)據(jù)；在設(shè)置模式下可修改上傳周期、ID、頻率、功率等參數(shù)。

2.2 無線通信硬件實(shí)現(xiàn)

作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)有自動(dòng)組網(wǎng)、支持遠(yuǎn)距離無線通信，并將網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編排的能力；可同時(shí)對(duì)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步采樣，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。

本文采用維恩科技生產(chǎn)的ET59-以太網(wǎng)（局域網(wǎng)）通訊網(wǎng)關(guān)，通過HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與本研究設(shè)計(jì)的醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。所有傳感器采集的數(shù)據(jù)都要匯集到網(wǎng)關(guān)中，單個(gè)網(wǎng)關(guān)可接收30路溫濕度數(shù)據(jù)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展成N×30測溫系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)設(shè)置的射頻參數(shù)需與溫濕度傳感器內(nèi)部參數(shù)一致，才可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步交互，同時(shí)通過設(shè)置網(wǎng)關(guān)服務(wù)器參數(shù)，將該網(wǎng)關(guān)與可訪問互聯(lián)網(wǎng)的路由器相連，利用以太網(wǎng)或局域網(wǎng)將無線溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)信息匯集到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)。該物聯(lián)網(wǎng)關(guān)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)最大范圍的節(jié)點(diǎn)信息匯聚，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，更靈活，更便捷，可隨時(shí)隨地掌握數(shù)據(jù)信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S模式構(gòu)建，開發(fā)語言為Java語言，系統(tǒng)依托IntelliJ IDEA平臺(tái)開發(fā)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用：顯示層、表示層、業(yè)務(wù)層、持久層和數(shù)據(jù)訪問層等多層分布式體系。其中使用Spring MVC作為后端與前端進(jìn)行對(duì)接的基礎(chǔ)架構(gòu)。利用Spring Data框架與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行持久化管理提供支持。運(yùn)用Spring進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的處理以及對(duì)Spring MVC和Spring Data進(jìn)行調(diào)配管理。數(shù)據(jù)庫部分主要采用Oracle 11g進(jìn)行系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理。系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能模塊

醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要是對(duì)各個(gè)分散的醫(yī)用冰箱進(jìn)行溫濕度監(jiān)測。該系統(tǒng)包括首頁、系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、歷史數(shù)據(jù)等主要功能模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能

（1）系統(tǒng)首頁：主要顯示各醫(yī)用冰箱的溫濕度情況，當(dāng)某一冰箱的溫度和濕度超過設(shè)定值2℃～8℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并在主界面滾動(dòng)顯示異常醫(yī)用冰箱的編號(hào)、位置和當(dāng)前的溫濕度值，提醒庫房管理人員及時(shí)查看、處理。

（2）系統(tǒng)管理：主要功能是通過設(shè)置不同的賬號(hào)權(quán)限，進(jìn)入系統(tǒng)界面所顯示的信息不同，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理。

（3）設(shè)備管理：主要實(shí)現(xiàn)醫(yī)用冰箱和傳感器基本信息的錄入、性能狀態(tài)和使用記錄的查詢以及溫度和濕度報(bào)警值的設(shè)置。

（4）歷史數(shù)據(jù)：主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用冰箱不同時(shí)間段的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄的查詢和統(tǒng)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖的可視化。

4 系統(tǒng)運(yùn)行及應(yīng)用

本文基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)各個(gè)醫(yī)用冰箱的溫濕度的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)集中動(dòng)態(tài)監(jiān)測管理，同時(shí)可對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。本研究選取10臺(tái)不同區(qū)域的醫(yī)用冰箱進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：本系統(tǒng)采集信號(hào)穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，監(jiān)測效果良好。

4.1 系統(tǒng)主界面

醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)首頁如圖4所示，系統(tǒng)顯示每臺(tái)在線醫(yī)用冰箱的實(shí)時(shí)狀態(tài)和報(bào)警信息，同時(shí)屏幕滾動(dòng)提示異常溫濕度醫(yī)用冰箱所在位置和當(dāng)前溫濕度。

圖4 系統(tǒng)首頁

4.2 醫(yī)用冰箱監(jiān)測信息

所有醫(yī)用冰箱的溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測信息如圖5所示，溫濕度數(shù)據(jù)可通過歷史數(shù)據(jù)中的監(jiān)測信息菜單進(jìn)行查詢，也可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自定義查詢，可查詢單個(gè)或多個(gè)冰箱某一時(shí)間段的數(shù)據(jù)。

圖5 醫(yī)用冰箱監(jiān)測信息

4.3 醫(yī)用冰箱監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

單個(gè)和多個(gè)醫(yī)用冰箱監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如圖6、7所示，系統(tǒng)可對(duì)任意時(shí)間點(diǎn)和時(shí)間段的醫(yī)用冰箱的溫濕度數(shù)據(jù)圖進(jìn)行顯示和查詢。

圖6 單個(gè)醫(yī)用冰箱監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖7 多個(gè)醫(yī)用冰箱監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

4.4 應(yīng)用實(shí)例

本系統(tǒng)應(yīng)用于玉溪市人民醫(yī)院門急診檢驗(yàn)科、醫(yī)學(xué)工程科倉庫，共對(duì)9個(gè)普通醫(yī)用冰箱和1個(gè)超低溫冰箱進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，黑色盒子為無線溫濕度傳感器（圖8）。

圖8 應(yīng)用實(shí)例

5 總結(jié)與展望

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云技術(shù)研究設(shè)計(jì)的醫(yī)用冰箱溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)我院醫(yī)用冰箱內(nèi)部溫濕度數(shù)據(jù)連續(xù)24 h實(shí)時(shí)采集和記錄，并自動(dòng)生成記錄報(bào)表和曲線，同時(shí)將異常溫濕度報(bào)警信息通過微信公眾號(hào)消息推送的方式及時(shí)推送給管理人員，便于用戶觀測并及時(shí)做出響應(yīng)。該系統(tǒng)不但實(shí)時(shí)有效、可擴(kuò)展性好，而且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，適用于其他需要進(jìn)行溫濕度監(jiān)測的場合。系統(tǒng)的上線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用冰箱存儲(chǔ)物品環(huán)境的全程管理，提高了臨床標(biāo)本、檢驗(yàn)試劑及血液制品等的管理水平，減少因環(huán)境變化產(chǎn)生的損壞，降低了醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)；也為庫房管理人員日常的巡檢提供了方便，提高了工作效率；為設(shè)備的故障診斷、維護(hù)保養(yǎng)提供了參考信息，監(jiān)測所得的溫濕度數(shù)據(jù)與冰箱內(nèi)部溫濕度計(jì)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各品牌醫(yī)用冰箱的性能監(jiān)測和評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患，為醫(yī)用冰箱的規(guī)范化管理提供時(shí)間、行為、位點(diǎn)的有力支撐。該系統(tǒng)現(xiàn)有報(bào)警方式還不夠完善，下一步根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際情況，增加無線聲光報(bào)警接收裝置，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的報(bào)警功能，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測的范圍較窄，下一步根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，將存放藥品和疫苗的醫(yī)用冰箱并入該系統(tǒng)，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)測范圍，提高管理水平。