醫療冷鏈運輸箱監控系統開發

駱曉晶，李年攸

（三明學院 信息工程學院 福建省農業物聯網應用重點實驗室，福建 三明 365004）

0 引言

醫療冷鏈主要針對生物藥品、疫苗、血液等具有高時效、高價值和容易變質特征的對象，涉及生產、運輸、儲存和使用等環節[1]。由于醫療藥品等對溫濕度、時效性有特定要求，所以它們的運輸過程就顯得尤其關鍵，一旦處理不當便會導致藥品質量降低，疫苗和血液制品失效，甚至危害到病人的身體健康和生命安全。相關統計顯示，每年都有大量的藥品因在運輸途中的溫濕度、時間的管控不當而浪費，造成了很大的經濟損失[2-3]。

國外一些發達國家的醫療冷鏈發展起步較早，技術和設備基礎條件更成熟，建設有更完整的監控體系和行業規范。比如，已有研究人員將GPS 定位技術運用到藥品運輸過程中，并利用無線通信技術將實時監測數據傳輸到監控界面，為醫療冷鏈行業發展做出了顯著貢獻。

我國的醫療冷鏈行業相比國外并不發達，雖有較大龍頭企業支撐，如順豐公司等，但在相對落后的城市和農村，冷鏈的基礎設施建設仍較落后，設備不夠先進，技術體系也不成熟。醫療冷鏈體系仍然存在缺乏統一行業規范、實時監控體系、完善的追溯機制等問題。近年來，隨著國家政策的扶持和倡導，以及科學技術的發展，一些新技術如RFID、GPS配備溫度控制系統、冷鏈GPS 和實時溫濕度監控等技術在醫療冷鏈物流中得到應用，以確保藥品在運輸過程中的安全。在當前的醫療冷鏈中承擔運輸任務的主要是冷藏車，配合以冷藏箱和保溫箱的短途配送，與藥品運輸小批量、多批次的特點相比，成本高，無法實時準確掌握冷鏈藥品的環境數據和地理位置，給消費者造成不必要的用藥風險[4-6]。

為了解決醫療冷鏈運輸環節存在的短板，本文提出了一種醫療冷鏈運輸箱監控系統[7-10]解決方案。方案提出便攜式醫療冷鏈運輸箱的設計，對箱體中的溫濕度、光照及箱體位置等參數實時進行在線監測，并實現溫度的自動控制，確保藥品的安全，降低運輸成本，增加靈活性，適用于小批量多批次的藥品運輸。

1 系統總體設計

醫療冷鏈運輸箱監控系統網絡拓撲如圖1所示。系統主要由便攜式醫療冷鏈運輸箱、服務器、Web 客戶端及微信小程序組成。其中設備負責采集溫濕度、光照、位置、指示燈狀態和制冷模塊工作狀態等數據，由通信模塊適時向服務器發送；制冷模塊完成溫度調節，以保證藥品的質量。服務器負責數據的收集存儲；Web客戶端可以設置箱內的溫度閾值，顯示箱內的環境數據；小程序為移動客戶提供數據信息。

圖1 系統網絡拓撲

2 設備設計與制作

便攜式醫療冷鏈運輸箱硬件設備主要包括Arduino UNO R3 單片機（自帶無線WiFi 模塊）、AM2302 溫濕度傳感器、NEO-M8N GPS 模塊、光照傳感器（BH1750）、移動4G 路由器、TFT 液晶顯示彩屏、LED 指示燈、半導體制冷模塊（由TEC1-12706 制冷片、散熱片、風扇、導熱膠、升壓模塊、硅膠片、網罩等組裝而成），如圖2所示。其中光照傳感器用于檢測箱體的密閉性，在設備初始化時完成檢測，值越小說明箱體密閉性越好；移動4G 路由器為設備提供穩定的通信信號源，確保工作時設備不掉線；LED 指示燈用于直觀判斷箱體中的溫度與藥品實際所需溫度差值大小，從而決定是否啟動制冷模塊。將相關元器件連接在一起所實現的設備實物如圖3所示。利用該設備，可以采集到藥品所處環境的溫濕度、光照、位置等數據，顯示并上傳至服務器，制冷模塊根據環境溫度是否即將達到閾值自動切換工作狀態，以確保藥品的質量。

圖2 便攜式醫療冷鏈運輸箱組成

圖3 醫療冷鏈運輸箱實物

3 系統工作流程

設備使用前，先將4G 路由器的SSID 和連接密碼按照設計方案進行配置，WiFi 模塊功能代碼實現指定連接。

3.1 系統初始化

設備開機后，點亮所有狀態指示燈，狀態變量全部置為True，WiFi 模塊自動搜索并連接上4G 路由器提供的WiFi 熱點，將初始溫濕度、光照、位置等數據上傳至服務器，并在Web 頁面顯示，以便管理員對設備密閉性和網絡狀態進行檢查，確定是否啟用該設備。一旦啟用，管理員將通過Web 對本批次藥品的有效溫度區間進行設置。

3.2 閾值選擇

由于不同藥品的有效溫度區間不盡相同，因此每次啟用設備運送藥品前都必須由管理員通過Web 端對本批次疫苗的有效溫度區間（下限用min 表示，上限用max 表示，長度用d表示）進行設置。系統將根據溫差（箱體中溫度與有效溫度區間上限的距離）是否達到臨界值實現制冷設備的開/關自動控制。而這里的臨界值即閾值，先用max-0.1d表示，后期將根據測試數據對制冷設備的效率進行客觀評估，并根據評估結果重新設定。

3.3 數據采集

系統通過采集現場數據作為決策的依據。其中光照強度體現出箱體的密閉性；溫度決定是否需要啟動/關閉制冷設備，當溫差達到閾值時啟動制冷設備降溫，當溫度降至區間下界時關閉制冷設備；位置數據為后續工作的安排提供參照；將三色燈狀態數據與制冷設備狀態數據結合，用于判斷設備是否工作正常等，綠、黃、紅分別表示溫度在正常區間min～（min+0.8d）、緩沖區間（max-0.2d）～（max-0.1d）和預警區間（max-0.1d～max）。數據采集的時間間隔將根據溫度所在區間不同而調整，在正常區間和緩沖區間時數據采集時間間隔為該藥品在異常情況下能維持有效的最長時間（用Exp 表示），在非正常區間（包括預警區間）時數據采集時間間隔為0.1Exp，確保持續有效監測。

3.4 數據傳輸

系統通過4G 路由器將設備工作數據發送到服務器，經處理后分別在Web 端和微信小程序端顯示。數據發送遵循異常觸發機制：正常情況下一個周期（即Exp）發一次；一旦系統檢測到數據異常，則轉換成密集（0.1Exp）發送，直到現場恢復正常。這里所指的異常包括光照數據過大（設備密閉性不足），溫差過小（接近失效，啟動制冷設備降溫），制冷設備的工作狀態與當前溫度、三色燈狀態量產生矛盾（系統或設備故障）等。

3.5 數據處理

將云服務器收集到數據進行整理入庫，根據數據間的關系自動判斷出設備是否正常工作（存儲數據表元組級約束實現自動提醒），并通過Web 頁面和微信小程序圖形化展示，讓管理員和用戶都能實時了解本批次藥品的情況。系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程

4 系統功能實現

系統的運轉由設備端、Web 端和小程序共同完成。設備端負責數據采集、傳輸，并實現自動控制，Web 端負責數據展示和初始參數的設置，小程序可以方便用戶隨時隨地掌握藥品的狀態。

4.1 設備端的功能實現

設備端的主要功能是數據采集、數據傳輸與自動控制，其中傳輸使用MQTT 協議，防止網絡信號的中斷導致數據傳輸不完整，主要功能代碼如下：

自動控制要實現制冷設備的開關和狀態數據的設置，主要功能代碼如下：

4.2 Web 端功能實現

Web 端主要功能是為管理員提供初始參數設置、設備與實時數據信息、圖形化歷史數據信息、設備定位信息、藥品溯源信息等。其中參數設置操作界面如圖5所示。

圖5 參數設置操作界面

Web 端設置好的參數要起作用，必須通過服務器傳送到設備端的Arduino 網關，主要功能代碼如下：

設備與實時數據信息顯示界面如圖6所示。溫濕度和光照歷史數據顯示界面如圖7所示。設備定位信息顯示界面如圖8所示。

圖6 設備及實時數據信息顯示界面

圖7 溫濕度和光照歷史數據顯示界面

圖8 設備定位顯示界面

獲取信息的主要代碼如下：

4.3 微信小程序功能實現

微信小程序為用戶提供了更為便捷的數據服務，包括溫濕度、光照、冷機狀態和位置等實時信息，操作界面如圖9所示。歷史數據監測情況如圖10所示。

圖9 用戶實時數據查詢

圖10 歷史數據監測情況

5 結語

本文開發的醫療冷鏈運輸箱監控系統為醫療冷鏈各環節，特別是運輸環節，提供了一種靈活性高、成本低、續航時間長、通信穩定的技術解決方案，能對設備所處環境數據完成實時采集、傳輸、存儲、查詢與展示，并實現預警和溫度自動控制，讓用戶能隨時隨地掌握藥品所處的環境，為藥品安全提供有力保障，為后續行動提供決策依據，并可以推廣應用到其他冷鏈領域。