基于STM32 的高精度醫(yī)藥倉儲環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

左雨，暢泰，閆俊宇，孫賓

（山西大學(xué)自動化與軟件學(xué)院，山西太原，030000）

0 引言

現(xiàn)階段大多數(shù)藥品倉儲管理環(huán)境和手段較為傳統(tǒng)落后，仍依賴于人工，數(shù)據(jù)可靠度不高，資源占用多，自動化程度低，難以實現(xiàn)長期監(jiān)測，建立藥品環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。國內(nèi)已有學(xué)者展開了研究，朱星等[1]采用RS485 總線構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了基于MODBUS 協(xié)議的醫(yī)藥環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；夏明娜等[2]采用NRF905 無線模塊實現(xiàn)藥品倉儲溫濕度監(jiān)控；邸靜妍等[3]基于Zigbee 和GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)藥品倉庫環(huán)境監(jiān)測；楊雙義[4]采用8051 單片機實現(xiàn)藥品倉庫溫度檢測。以上研究中RS485 總線方式通訊速率低，實時性、可靠性差，其布線設(shè)計及施工復(fù)雜功耗大，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點出故障導(dǎo)致系統(tǒng)整體或局部癱瘓且難以判斷故障位置維修困難；無線數(shù)據(jù)傳輸NRF905，Zigbee，GPRS 不受物理線路的局限，但受網(wǎng)絡(luò)帶寬的速度的限制，Zigbee 受同頻段的其他信號的干擾，GPRS 通信質(zhì)量受信號強弱影響較大，傳輸過程存在延時，無法做到實時監(jiān)控。8051 單片機只能用單片機的IO 接口來模擬，當(dāng)對通信速度要求高時，用IO 接口模擬的方式降低了系統(tǒng)的使用性能，工作速率低，雖有空閑模式和省電模式，但實際無法達到省電效果，功耗大且數(shù)據(jù)存儲空間小。STM32 是基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，接口簡單，增加了一個全速USB 接口和硬件支持IEEE1588 精確時間協(xié)議的以太網(wǎng)接口，用硬件實現(xiàn)協(xié)議可降低CPU 開銷，提高實時性應(yīng)用和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同步通信的響應(yīng)速度，功耗低。I2C 總線接口集成在芯片內(nèi)部，優(yōu)化主板空間和成本，支持多主機設(shè)備、功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離長?；诖耍驹O(shè)計的改進是利用STM32 選用I2C 總線技術(shù)，設(shè)計了一個低成本、低功耗、實時性強、布設(shè)靈活的藥品環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)藥倉儲存環(huán)境，藥倉監(jiān)測過程應(yīng)當(dāng)采用儲存式監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)以STM32 單片機為控制芯片構(gòu)成主控模塊，主要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理和各個功能模塊的協(xié)調(diào)。系統(tǒng)上電復(fù)位后，通過電源轉(zhuǎn)換電路將5v 電壓轉(zhuǎn)換成STM32 的供電電壓3.3v保證正常的額定電壓。環(huán)境溫濕度由SHT30 溫濕度傳感器采集，藥物的振動情況由ADXL345 三軸加速度傳感器采集。STM32 將來自傳感器的數(shù)據(jù)分析處理，把數(shù)據(jù)存儲在FLASH 存儲器模塊中，經(jīng)USB 數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至上位機，上位機通過VB 界面進行數(shù)據(jù)的實時顯示。一旦出現(xiàn)溫濕度異常或藥品掉落，STM32 控制語音報警電路，對異常情況發(fā)出警報。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計

硬件電路主要有STM32 核心控制模塊，溫濕度傳感器模塊，三軸加速度傳感器模塊，F(xiàn)LASH 存儲器模塊，語音報警模塊組成。具體設(shè)計如下：

2.1 溫濕度傳感器模塊

對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)控是不可缺少的環(huán)節(jié)。該模塊使用可靠性強、精度高的SHT30 傳感器。內(nèi)部溫度采集使用熱電偶，當(dāng)工作端與自由端的溫度不同時，回路中產(chǎn)生熱電動勢，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換將電壓的變化送到單片機，轉(zhuǎn)化成能夠識別的信號。濕度測量是使用沉積在兩個導(dǎo)電電極上的聚胺鹽或醋酸纖維聚合物薄膜（一種高分子化合物）構(gòu)成，當(dāng)薄膜吸水或失水后，會改變兩個電極間的介電常數(shù)。進而引起電容器容量的變化，利用測量電路可將電容器的容量變化進行捕捉、轉(zhuǎn)化處理,最終計算顯示出濕度信息。電路圖如圖2 所示。

圖2 SHT30 電路圖

2.2 三軸加速度傳感器

傳統(tǒng)倉儲管理環(huán)境和手段較為落后，藥品倉庫的抗震功能不到位,一些藥物由于振蕩時藥品溶液與容器之間會發(fā)生機械碰撞，產(chǎn)生能量和泡沫，而易造成藥品變質(zhì)損壞，所以當(dāng)藥物本身不夠穩(wěn)定或易發(fā)生改變，又或者藥品溶液中含有易產(chǎn)生泡沫成分時，藥品的使用就需要注意。為避免在存儲期間因人為或其他不可預(yù)測因素導(dǎo)致的藥物被迫受振，本設(shè)計采用ADXL345 三軸加速度傳感器，檢測從機節(jié)點動態(tài)加速度，判斷藥品是否大幅度振動，并能有效檢測藥品是否掉落。同時ADXL345 支持SPI 和I2C 兩種通信方式，為了節(jié)省IO口，我們STM32 開發(fā)板采用的是I2C 方式連接。傳感器模塊的SCL 引腳與STM32 的PB0 引腳相連，SDA 引腳與PB1 引腳相連，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 ADXL345 原理圖

2.3 Flash 存儲器模塊

該模塊由基于SPI 協(xié)議下型號為W25Q64 的Flash 芯片組成。在發(fā)送端，SPI 通過UCLK 控制串行通信，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器,并行加載到發(fā)送移位寄存器當(dāng)中，立即開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在第一個UCLK 周期，SIMO 移出數(shù)據(jù)，經(jīng)過8 個時鐘周期把8 位的數(shù)據(jù)發(fā)送到從機當(dāng)中，其中最高有效位先發(fā)送，達到通信目的。在接收端，SIMO 的數(shù)據(jù)以先高后低的順序接收，接收到數(shù)據(jù)右對齊，當(dāng)8 位數(shù)據(jù)接收完之后，有移位寄存器并行移入接收緩沖器當(dāng)中，并將接收中斷標(biāo)志位置位，表明接收緩沖器當(dāng)中有數(shù)據(jù)存入，通過中斷讀取數(shù)據(jù)。原理圖如圖4 所示。

圖4 Flas h 原理圖

2.4 語音報警模塊

本設(shè)計采用語音報警電路，該模塊由型號為ISD1820 的語音報警模塊構(gòu)成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)以及結(jié)合倉庫的實際存儲環(huán)境的需求，系統(tǒng)設(shè)定溫度、濕度以及加速度值的上下限。當(dāng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)閾值時，并且在一定時間內(nèi)維持不正常狀態(tài)，由STM32 發(fā)出控制信號，觸發(fā)語音報警模塊，發(fā)出警告。如溫度超過閾值上下限，就會不斷發(fā)出“溫度異常，當(dāng)前溫度是XX 度”的語音信號；當(dāng)濕度超過閾值上下限，發(fā)出“濕度異常，當(dāng)前濕度是XX 度”的語音信號；當(dāng)加速度值超過系統(tǒng)給定閾值時，發(fā)出“振動異?！钡恼Z音信號；當(dāng)達到正常范圍內(nèi)，語音報警停止。語音模塊原理如圖5所示。

圖5 ISD1820 電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本藥倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計方面主要遵循模塊化理念，設(shè)計了上電初始化、溫濕度監(jiān)測、振動監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示、報警等功能模塊,并且為各功能模塊分別編寫?yīng)毩⒑瘮?shù)，采用I2C 通信協(xié)議，SCL 和SDA 兩條線可以掛載多個設(shè)備，總線上的每個設(shè)備都可以被唯一的一個地址所尋址。

上位機監(jiān)測界面采用基于VB 的編程技術(shù)，實現(xiàn)了下位機系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，并通過圖形、數(shù)字以及曲線的方式將藥倉溫濕度以及動態(tài)加速度等數(shù)據(jù)顯示在上位機界面上，起到實時監(jiān)測報警的作用。設(shè)置串口，通過串口讀取數(shù)據(jù),針對接收的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)包解析，并在VB 界面中顯示溫濕度、XYZ 軸加速度數(shù)據(jù)及其各自曲線。將解析的數(shù)據(jù)包按一定的數(shù)據(jù)格式存儲到EXCEL 文件中，EXCEL 文件數(shù)據(jù)存儲便捷，數(shù)據(jù)處理方便簡單，數(shù)據(jù)存儲量足夠大。同時設(shè)置文件名稱和存儲位置，數(shù)據(jù)存儲格式為網(wǎng)絡(luò)時間加上傳感器數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)查找和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)總體流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

用容器接入部分自來水，放在標(biāo)準(zhǔn)溫度計上，作為基準(zhǔn)溫度，將傳感器模塊放入容器中，測量水溫，測試實物圖如圖7 所示，實驗數(shù)據(jù)曲線如圖8 所示。

圖7 測試實物圖

由圖8 可知實際溫度與系統(tǒng)溫度的誤差在0.1℃左右，誤差在可接受范圍之內(nèi)，具有較好的測量精度，表明系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、傳輸、上傳等功能穩(wěn)定。

圖8 測試結(jié)果圖

5 結(jié)論

針對藥品倉庫環(huán)境的實時高效低功耗需求，本文介紹了一種基于STM32 的高精度醫(yī)藥倉儲環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過從機硬件設(shè)計和主機軟件設(shè)計，完成倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)的自動采集、數(shù)據(jù)交互、自動報警等功能，此系統(tǒng)使藥倉環(huán)境的監(jiān)測和調(diào)節(jié)更加信息化和智能化水平，同時解決了傳統(tǒng)管理方式落后、效率低下、耗能等問題，實現(xiàn)了對藥品倉庫環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)控。