本文關鍵詞：基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能溫度記錄儀的研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：溫度敏感性產品,如冷藏藥品、奶制品和農產品等,從生產、貯藏運輸、銷售,到消費前的各個環(huán)節(jié)中,始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下,以保證產品的質量。這就需要一項低溫系統(tǒng)工程——“冷鏈”。特別是醫(yī)藥行業(yè),藥品的質量關乎人民的健康與社會的安定,而且它比一般農產品對冷藏條件要求更高。確保冷藏藥品的質量安全是醫(yī)藥冷鏈的主要目的,保持低溫環(huán)境是醫(yī)藥冷鏈的核心要求。 我國醫(yī)藥冷鏈行業(yè)正處于起步階段,發(fā)展現(xiàn)狀可總結為：(1)醫(yī)藥市場需求激增,醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展空間廣闊；(2)缺少執(zhí)行力強的行業(yè)標準,近79%的冷藏藥品在運輸中沒有溫度監(jiān)測；(3)信息系統(tǒng)不完善,缺乏上下游信息的銜接和共享,常出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象；(4)基礎設備落后,自動化水平低,難以保證可靠性；(5)專業(yè)人才匱乏。可見,我國醫(yī)藥冷鏈正面臨著嚴峻的考驗,亟待建立全程監(jiān)測和追溯系統(tǒng),構建信息化服務平臺。 本論文在查閱大量文獻和調研國內外監(jiān)測設備的基礎上,針對我國醫(yī)藥冷鏈監(jiān)測的特點和不足,研制了一款基于無線傳感器網(wǎng)絡技術的智能溫度記錄儀。主要研究內容如下： 1.無線傳感器網(wǎng)絡技術研究 無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)一種新興的高科技產業(yè),以其微型化、低功耗、自組網(wǎng)等獨特的優(yōu)點,被廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、醫(yī)療、智能家居、大型倉庫管理等領域。WSN目前在物流行業(yè)的主要應用包括倉儲環(huán)境監(jiān)測、在途貨物監(jiān)測和貨物管理等。若將WSN應用于醫(yī)藥冷鏈,可實現(xiàn)真正的無人值守、自動化監(jiān)測,極大地避免因冷鏈設備自身故障、人為操作失誤、制冷劑失效等問題引起地冷藏藥品的質量問題,保障醫(yī)藥冷鏈設備持續(xù)有效的運行,從而提高醫(yī)藥冷鏈的可靠性。 無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構有星型網(wǎng)、樹形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。星型網(wǎng)是一個單跳網(wǎng)絡,結構最簡單,最易實現(xiàn),最容易診斷維護故障,適用于小范圍室內監(jiān)測。樹形網(wǎng)是分級的集中控制型網(wǎng)絡,成本較低,節(jié)點易于擴充。但各子節(jié)點對母節(jié)點的依賴性強,若母節(jié)點發(fā)生故障,則其子節(jié)點都不能正常工作。網(wǎng)狀網(wǎng)是一個多跳網(wǎng)絡,任意兩個節(jié)點間均可通信,因此該網(wǎng)絡傳輸距離遠,覆蓋范圍大,自愈能力強,網(wǎng)絡可靠性高,但該網(wǎng)絡結構復雜,可維護性差。綜上所述,各種網(wǎng)絡結構都有其優(yōu)缺點,適用于不同場合。本文最終采用節(jié)點功耗最低的星型網(wǎng)絡拓撲結構,以監(jiān)測終端為網(wǎng)絡協(xié)調器,構建低功耗、短延時、易于維護的高效的監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)。 2.醫(yī)藥冷鏈溫度記錄儀總體設計 本文設計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能溫度記錄儀,可用于對冷藏藥品從加工、貯藏、運輸?shù)绞褂们暗娜虦囟缺O(jiān)測、記錄和預警。本記錄儀由若干個無線傳感器節(jié)點和一個智能監(jiān)測終端組成,其中無線傳感器節(jié)點分別對批量貯藏箱體、移動運輸工具進行實時周期性地溫度采集和預處理,并同步發(fā)送給站內監(jiān)測終端；終端對多項監(jiān)測任務數(shù)據(jù)進行海量存儲、分析處理,并可實現(xiàn)高低溫短信報警,以及向監(jiān)管部門和使用者提供歷史數(shù)據(jù)追溯。 3.記錄儀的硬件設計 根據(jù)記錄儀的總體設計方案,本智能溫度記錄儀由無線傳感器節(jié)點和智能監(jiān)測終端兩部分組成。本文分別對節(jié)點和終端模塊化,并依次完成各個部分的功能框圖設計、器件選型、原理圖設計、PCB設計和實物焊接。其中節(jié)點包括傳感器單元、主控單元、通信單元和電池四部分,終端包括主控單元、觸摸屏、通信單元、報警單元、存儲單元和電源。 1)節(jié)點選用超低功耗芯片ATmega169作為主控芯片,利用溫度傳感器Pt100采集冷藏環(huán)境溫度數(shù)據(jù),通過射頻模塊JTT4432與智能監(jiān)測終端實時交互溫度信息,采用兩節(jié)七號堿電池供電。整個節(jié)點設計具備微型化、低功耗、低成本、可擴展性和高可靠性等特點。 2)高精度測量電路。溫度傳感器Pt100經(jīng)恒流源驅動電路,產生一個精密的溫度電壓值,該電壓信號流過低溫漂高精度運放進行信號調理,再通過二階有源低通濾波器提高抗干擾能力,最后經(jīng)單片機12bit ADC采樣、軟件處理獲取-100～100℃范圍內,精度為0.1℃的溫度數(shù)據(jù)。 3)監(jiān)測終端采用主從控制模式,觸摸屏SK_AE050為主機,單片機ATmega128為從機,通過RS232連接。觸摸屏觸發(fā)Atmega128通過無線通信模塊JTT4432與節(jié)點交互溫度信息；Atmega128對節(jié)點返回的數(shù)據(jù)分析匯總；海量溫度數(shù)據(jù)被存儲在SD卡中；當溫度超限時,GSM模塊TC35實時向用戶發(fā)送報警短信；電源采用220V市電,經(jīng)AC-DC電源模塊LH20-10B24輸出24V電壓。 4.記錄儀的軟件設計 無線傳感器節(jié)點的軟件部分主要包括主程序、溫度采集子程序、射頻收發(fā)子程序、顯示子程序和電池控制子程序。節(jié)點首先對Atmage169及各模塊芯片初始化,配置節(jié)點處于休眠狀態(tài)；按設定頻率采集溫度數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)預處理、顯示；同時節(jié)點隨時等待射頻中斷觸發(fā),接收監(jiān)測終端發(fā)來的命令幀,收到處理命令幀,載入采集數(shù)據(jù)值返回終端。 智能監(jiān)測終端軟件包括內部通信程序和外圍控制程序。其中觸摸屏與單片機間的內部通信通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn)；終端外圍控制程序又包括主程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、射頻收發(fā)子程序和報警子程序等。 5.人機界面設計 友好的人機交互環(huán)境是儀器設計的重要組成之一。本設計采用觸摸屏為用戶提供一個生動、直觀的、易于操作的監(jiān)測環(huán)境。本記錄儀實現(xiàn)的人機交互功能包括,用戶登錄、節(jié)點拓撲圖、參數(shù)設置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、高低溫報警和歷史數(shù)據(jù)查詢等。人機界面的實現(xiàn)主要分為兩部分：基于組態(tài)軟件SKWorkshop4.0.0的畫面設計；基于MODBUS協(xié)議完成與單片機通訊程序編寫。 6.整機性能測試 在已搭建的實驗平臺上,進行整機性能測試。主要包括測溫實驗、通信可靠性實驗和電池工作時間計算。 通過多次性能測試結果表明,本文研發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能溫度記錄儀,基本實現(xiàn)了預期的設計目標,可有效的解決醫(yī)藥冷鏈監(jiān)控過程中對高精度、全程記錄、低功耗、實時報警和歷史追溯的需求。通過該無線溫度記錄儀的應用,實現(xiàn)實時在線冷鏈設備溫度監(jiān)控,大幅提高血液、疫苗等冷藏藥品冷鏈保障的可靠性,依據(jù)記錄數(shù)據(jù)驗證冷鏈儲運性能,降低工作人員勞動強度,避免因設備故障或人員操作失誤造成寶貴的藥品因溫度問題而損壞。采用該記錄儀全天候監(jiān)測、記錄、預警,多方位冷鏈異常信息獲取,真正實現(xiàn)無人值守冷鏈實時在線監(jiān)控功能,提高醫(yī)藥儲運的監(jiān)控效率和監(jiān)控的可靠性,及時預警。 綜上所述,本文的主要成果和創(chuàng)新點主要有： 1.高精度測溫電路。關鍵是設計高精度恒流源和二階有源低通濾波器,優(yōu)化參數(shù),匹配設計,提高抗干擾能力。 2.無線通信節(jié)點設計。射頻系統(tǒng)基于傳輸線理論,因此對器件布局,PCB設計,天線的方向都有很高的要求,設計高效射頻通路是系統(tǒng)的關鍵。 3.友好的人機界面�；谟|摸屏模式設計的終端,界面友好,操作簡單。 雖然本文研制的溫度記錄儀已基本實現(xiàn)了預期的設計目標,但設計中還存在這不足,有待進一步完善,今后的工作可能有： 1.網(wǎng)絡結構優(yōu)化。本文采用的相對簡單的星型網(wǎng)絡結構,適合小范圍的監(jiān)控現(xiàn)場,但對于監(jiān)控設備數(shù)量大的現(xiàn)場應用,可嘗試網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。運用精度高、可靠性高、網(wǎng)狀網(wǎng)進一步完善網(wǎng)絡結構。 2.融合物聯(lián)網(wǎng)技術。隨著科技的發(fā)展,人們對物聯(lián)網(wǎng)的認識,可考慮添加節(jié)點定位功能、并融入RFID技術。完善記錄儀在冷鏈移動現(xiàn)場的作業(yè)能力,提高醫(yī)藥冷鏈的信息管理水平。
【關鍵詞】：醫(yī)藥冷鏈 無線傳感器網(wǎng)絡 溫度監(jiān)測 星形網(wǎng)
【學位授予單位】：南方醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R318.6
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 緒論18-26
• 1.1 研究背景及研究意義18-19
• 1.2 溫度記錄儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢19-24
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 國內研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.3 國內外現(xiàn)狀總結分析23-24
• 1.3 論文的主要研究內容及結構24-26
• 1.3.1 主要研究內容24
• 1.3.2 本文結構24-26
• 第二章 溫度記錄儀總體設計方案26-33
• 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡26-30
• 2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡概述26-27
• 2.1.2 WSN技術在醫(yī)藥冷鏈中的應用27
• 2.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構27-29
• 2.1.4 通信頻率對比29-30
• 2.2 溫度記錄儀總體設計方案30-32
• 2.2.1 溫度記錄儀總體設計方案30-31
• 2.2.2 性能指標31
• 2.2.3 記錄儀特點31-32
• 2.3 本章小結32-33
• 第三章 溫度記錄儀硬件設計33-45
• 3.1 記錄儀硬件結構設計33-34
• 3.2 器件選型34-39
• 3.2.1 溫度傳感器34
• 3.2.2 節(jié)點主控芯片34-35
• 3.2.3 通信模塊35-36
• 3.2.4 節(jié)點電源模塊36-37
• 3.2.5 終端主控芯片37
• 3.2.6 觸摸屏37-38
• 3.2.7 報警單元38-39
• 3.2.8 終端電源39
• 3.3 電路設計39-43
• 3.3.1 高精度測溫電路39-41
• 3.3.2 射頻電路41
• 3.3.3 電池升壓電路41-42
• 3.3.4 SD卡電路42
• 3.3.5 終端電源電路42-43
• 3.4 PCB設計43-44
• 3.5 本章小結44-45
• 第四章 溫度記錄儀軟件設計45-50
• 4.1 節(jié)點軟件設計45-47
• 4.1.1 射頻收發(fā)子程序46-47
• 4.2 終端軟件設計47-49
• 4.2.1 SD卡驅動子程序48-49
• 4.3 本章小結49-50
• 第五章 人機界面設計50-60
• 5.1 MODBUS協(xié)議簡介50-51
• 5.1.1 MODBUS RTU傳輸模式50-51
• 5.1.2 MODBUS數(shù)據(jù)模型51
• 5.2 基于SKWORKSHOP的組態(tài)畫面設計51-54
• 5.3 基于MODBUS協(xié)議的與單片機通信實現(xiàn)54-56
• 5.4 觸摸屏通信控制測試56-59
• 5.4.1 讀位操作(讀取線圈狀態(tài))56-57
• 5.4.2 寫位操作(強制單個線圈)57-58
• 5.4.3 讀字操作(讀取保持寄存器)58
• 5.4.4 寫字操作(預置單個寄存器)58-59
• 5.5 本章小結59-60
• 第六章 整機調試與性能分析60-66
• 6.1 傳輸距離測試60-61
• 6.1.1 無障礙通信測試60
• 6.1.2 有障礙通信測試60-61
• 6.2 測溫測驗61
• 6.3 基本功能測試61-62
• 6.4 節(jié)點電池工作時間計算62-65
• 6.5 本章小結65-66
• 第七章 總結與展望66-68
• 7.1 總結66-67
• 7.2 展望67-68
• 參考文獻68-71
• 攻讀學位期間成果71-72
• 致謝72-73

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張修太;胡雪惠;翟亞芳;秦長海;張繼軍;;基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設計與實驗研究[J];傳感技術學報;2010年06期

2 程楊;劉學平;占濤;;一種基于MODBUS協(xié)議的工業(yè)控制系統(tǒng)設計[J];機械設計與制造;2011年01期

3 吳玉田,王瑞光,鄭喜鳳,肖傳武;GSM模塊TC35及其應用[J];計算機自動測量與控制;2002年08期

4 朱蒙;;無線傳感器網(wǎng)絡綜述[J];科技廣場;2010年09期

5 易靜薇;張春穎;王棟;李娜;王福清;;我國冷藏藥品冷鏈物流的現(xiàn)狀及問題研究[J];物流科技;2009年08期

6 梁旭;;我國藥品冷鏈物流發(fā)展問題研究[J];價格月刊;2013年01期

7 劉曉亮;王文銘;;我國醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展的問題與對策[J];物流工程與管理;2010年11期

8 吳志利;游娟;李璨;;加強醫(yī)藥產品冷鏈物流管理的探討[J];物流工程與管理;2011年11期

9 王治國;;冰箱監(jiān)控系統(tǒng)對藥品保存的意義[J];中國藥事;2010年09期

10 張平;康桂霞;田輝;;甚低功耗無線通信技術——ZigBee[J];中興通訊技術;2006年04期

  本文關鍵詞：基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能溫度記錄儀的研制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：351889