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医疗器械温湿度监测系统在ZigBee和GPRS融合组网技术支持下的设计研究

2020-07-06 149 上传者：管理员

摘要：以STH11为温湿度传感器，结合ZigBee自组网络和GPRS技术，采集各监测点的温湿度数据，传输到中控计算机及手机短信终端，达到实时监测温湿度数据的目的。经过测试，温湿度监测系统运行稳定，能实时显示监测点温度，超过设定阈值时能及时发出预警并发送报警短信至指定手机。该系统对于保障医疗器械临床使用的安全及有效性具有重要意义。

关键词：
GPRS
ZigBee
医疗器械冷链管理
无线传感器网络
温湿度监测
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随着现代生物医学工程技术的进步和飞速发展，医疗器械在现代医学诊疗实施过程中，已成为影响医疗质量的一个重要因素。为了保证进入临床使用的医疗器械的安全性和有效性，国家陆续制定和颁布了《医疗器械监督管理条例》《医疗器械使用质量监督管理办法规定》等法律法规[1][2]，要求各级医疗机构进一步加强对医疗器械院内存储环节及物流运输环节的温湿度监测等质量安全管理工作。

传统的温湿度监管办法是手工记录，不仅耗费大量人力物力，而且无法做到及时预警、及时处理，会大大影响医疗器械的安全性和有效性，从而产生医疗安全隐患[3]。因此，建立能对每个医疗器械存储点的温度和湿度状态进行实时监控，并在中控计算机上显示，可实时报警并发送报警短信至管理人员手机的温湿度监测系统，对保证医疗器械的安全性和有效性是十分必要的。

目前，主流的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）技术包括Zig Bee、蓝牙、Wi Fi和红外线等，在这几项技术中，Zig Bee技术由于低成本、低功耗、可自组织、组网可靠、协议简单等优点[4]，应用最为广泛。

Zig Bee技术又被称为紫蜂技术，是一种新型的无线网络通信技术，基于IEEE 802.15.4无线局域网协议[5]，该技术可灵活地嵌入到各种无线通信设备当中,广泛应用在远程监控和自动控制的领域。Zig Bee协议的结构，按照自下而上的顺序，一般可分为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)和应用层(APL)等层级[6]。

GPRS技术，是数据传递技术（General Packet Radio Service）的简称，是为众多GSM手机用户提供的一种基于移动终端的数据服务，该技术通过利用目前GSM手机网络中未被广泛使用的TDMA信道，可为用户提供远距离的移动数据实时传递[7]。

基于现有的Zig Bee组网技术的无线传感器网络是一个可同时容纳多达65000个数据传输模块的网络平台[8]，但是如果将Zig Bee网络应用到医疗器械温湿度的远程监控中，将受到传输距离短的制约，考虑到医疗器械储存环境复杂、储存场地分散等特点，本文提出了将Zig Bee和GPRS两种组网技术融合，通过网关，实现Zig Bee网络与GPRS传输网络的对接，实现了一种低成本、低功耗、远距离的温湿度数据传输[9]。

一、系统整体结构设计

本文的远程监测系统主要由以下各部分组成：中控计算机、网关、GPRS模块、路由节点、传感器节点、手机短信终端等。Zig Bee网络是一种自组织网络，这种组网方式极大地增加了整个网络中各个节点的可用链路数。本系统的Zig Bee网络由网关、路由节点、终端节点组成，包含的每个路由节点都具有自动链路功能，一旦有路由节点发生故障，Zig Bee网络可灵活选择一条可用链路，在该链路上继续进行数据传输，所以Zig Bee无线网状网络具有很高的可靠性。

系统工作流程(图1)：中央控制计算机连接Zig Bee网络的协调器，系统上电后，无线网状网络启动，温湿度传感器可以检测到该无线网状网络，并申请加入。当有温湿度信息查询的需要时，中央控制计算机会通过协调器，向处于终端节点上的传感器下达监测数据的命令，在对各个监测点的温湿度数据进行测量后，传感器中的路由器模块将数据传输给协调器，通过网关转发给GPRS模块，最后发送到中央控制计算机。中央控制计算机通过上位机软件对各监测点的温湿度数据信息进行处理，并在上位机的管理软件界面中进行显示。另外，温湿度报警的阈值以及接收短信的手机号码，也在中央控制计算机上设置。

图1温湿度监测系统工作流程

二、硬件设计

（一）温湿度监测模块

本系统采用瑞士SENSIRION公司开发研制的STH11型温湿度传感器，它的温度测量范围为-40℃～123.8℃，温度采集精度最高能达到0.4℃；湿度测量范围为0%RH～100%RH，湿度采集精度最高能达到3%RH；电压适用范围广，2.4V～5.5V均可，符合大多数单片机的供电电压；功耗极低，仅为1μW～30μW。因此，STH11是一款具有低功耗、电压适用范围广、易编程、使用方便等优点的高精度温湿度传感器[10]。

SHT11共有8个引脚（图2），每个引脚的具体定义见表1。CC2530与SHT11的硬件连接如图3所示，SHT11通过芯片上的串行时钟线SCK与CC2530的通用I/O口（P 0＿1）连接，实现通信同步；串行数据线DATA与通用I/O口（P0＿0）连接，实现数据传输；考虑到系统的稳定性，还须在STH11芯片的电源引脚VDD与串行数据口DATA间连接上拉电阻（10K），以避免在线路较长的情况下产生寄生电阻；为了去耦滤波，在接地端GND与电源VDD中间，还要再加一个电容（100n F)[10]。该设计可以做到既把传感器与单片机之间的接口最简化，又大大提高系统的稳定性。

图2SHT11芯片引脚

表1 SHT11芯片各引脚的定义

图3SHT11与CC2530硬件连接图

（二）Zig Bee终端节点和路由节点

本系统中Zig Bee网络各节点均采用了TI公司的CC2530F256芯片，CC2530是专门针对IEEE802.15.4和Zig Bee应用开发设计的芯片，集成了51单片机的内核，简单、功耗低、传输快、成本低，使用目前应用面非常广的Z-stack协议栈来进行程序设计和维护[11]。CC2530芯片由RF收发器控制无线模块，另外，从芯片连接外部设备的端口，能够从该端口读取状态并发出指令[12]。硬件电路设计方面，终端节点和路由节点的结构基本一致（图4），两者的区别仅在于程序编制的不同。终端节点属于Zig Bee网络的数据源，由它定时向路由节点传送数据，路由节点在接收数据后，对其进行转发。网关由网络协调器、GPRS模块、8位单片机、电源和一些外围电路构成，网络通信均采用RS232串口通信连接到上位机，网关主要执行的是转发数据的任务，既能够通过协调器与传感器终端节点连接，又能通过GPRS通信模块联络外部网络，实现两种协议的直接转换。系统具有信号持续稳定、抗外界干扰能力强、无数据传输时可自动休眠等特点。

图4终端节点和路由节点硬件结构

三、软件设计

（一）发送端软件设计

发送端主要软件工作流程：首先，给终端节点供电，初始化系统中的各个模块，从而确认各模块是否可以开启正常工作，然后由SHT11传感器采集各监测点的温度和湿度信息，定时向CC2530传输检测到的温湿度数据，经过调制，形成数据包，发往接收端（图5）。

（二）接收端软件设计

接收端主要软件工作流程：首先，给系统各模块上电，初始化系统中的各模块，确认网络组建成功。模块发送加入Zig Bee网络的请求，网络应答请求，将其添加到网络中，并且为每个模块分配地址，然后等待接收数据。由程序判断接收的数据帧结构，若结构正确，判断是否包含温度查询指令，如包含，则由路由程序启动温湿度采集子程序，对温湿度进行采集，并发送到IP模块。接收到的这些数据存储在网关的储存单元，同时通过GPRS/GSM发送到中央控制计算机，从而完成从Zig Bee到GPRS信号的转换（图6）。

图5发送端软件流程

四、系统测试

为了验证本远程监控系统方案的可行性，在我院医疗器械中心库房中设置了5个传感器终端节点进行Zig Bee无线组网及温湿度监测测试，并放置高精度温湿度仪进行采集结果比对。经过测试，各个节点的传感器能够按照中央控制计算机的指令采集环境中的温湿度数据，并将采集到的温湿度数据上传至中控计算机。系统监测得到的温度精度为±1℃，湿度精度为±3%RH。中央控制计算机温湿度显示界面正常，短信发送、接收功能正常。系统运行稳定、监测结果精确、传输可靠、功耗低。

图6接收端软件流程

五、结束语

本文设计并实现了一个基于Zig Bee和GPRS融合组网技术的医疗器械远程无线温湿度监测系统，可以实现对于院内医疗器械存储环节的环境温湿度的动态实时监管，减少了因存储环境温湿度条件的不合格而引起的医疗器械质量改变的情况，降低了医疗安全隐患，极大地保障了医疗器械在临床使用的安全性、可靠性、有效性，对于医疗器械院内冷链管理和临床安全使用管理具有重要的意义。

参考文献：

[1]国务院.国务院关于修改《医疗器械监督管理条例》的决定[EB/OL].[2017-05-04].

[2]国家食品药品监督管理总局.医疗器械使用质量监督管理办法[EB/OL].[2015-10-21].

[3]纪学鑫.一种新型无线温湿度监测系统的设计与应用[J].中国医学装备,2019(7):30-33.

[4]庄严. ZigBee网络结构及协议分析[J].电子技术与软件工程,2014(9):26.

[5]李文仲,段朝玉.Zig Bee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[6]刘琰.Zig Bee技术及在安防系统中的应用[J].中国公共安全,2013(14):139-141.

[7]魏星.基于ARM的嵌入式机房监控底层架构设计与实现[J].制造业自动化,2010(3):18-21.

[8]瞿雷,刘盛德,胡威斌.Zig Bee技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[9]何明星.基于Zig Bee与GPRS技术的无线传感器网络网关的设计[J].工矿自动化,2009(8):106-109.

[10]刘伟永,王凤瑛.基于Zig Bee技术的无线温湿度监测系统设计[J].微型机与应用,2013,32(11):64-65+69.

[11]何子力,张丽娜,张放心,等.基于Zig Bee网络的高速公路防雾霾路灯控制系统[J].信息技术与网络安全,2018(7):86-89.