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基于无线传感器网络的智能温度记录仪的研制

作　者: 赵阳
导　师: 吴太虎
学　校: 南方医科大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 医药冷链无线传感器网络温度监测星形网
分类号: R318.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

温度敏感性产品,如冷藏药品、奶制品和农产品等,从生产、贮藏运输、销售,到消费前的各个环节中,始终处于规定的低温环境下,以保证产品的质量。这就需要一项低温系统工程——“冷链”。特别是医药行业,药品的质量关乎人民的健康与社会的安定,而且它比一般农产品对冷藏条件要求更高。确保冷藏药品的质量安全是医药冷链的主要目的,保持低温环境是医药冷链的核心要求。我国医药冷链行业正处于起步阶段,发展现状可总结为：(1)医药市场需求激增,医药冷链物流发展空间广阔；(2)缺少执行力强的行业标准,近79%的冷藏药品在运输中没有温度监测；(3)信息系统不完善,缺乏上下游信息的衔接和共享,常出现“断链”现象；(4)基础设备落后,自动化水平低,难以保证可靠性；(5)专业人才匮乏。可见,我国医药冷链正面临着严峻的考验,亟待建立全程监测和追溯系统,构建信息化服务平台。本论文在查阅大量文献和调研国内外监测设备的基础上,针对我国医药冷链监测的特点和不足,研制了一款基于无线传感器网络技术的智能温度记录仪。主要研究内容如下：1.无线传感器网络技术研究无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)一种新兴的高科技产业,以其微型化、低功耗、自组网等独特的优点,被广泛应用于军事、环境监测和预报、医疗、智能家居、大型仓库管理等领域。WSN目前在物流行业的主要应用包括仓储环境监测、在途货物监测和货物管理等。若将WSN应用于医药冷链,可实现真正的无人值守、自动化监测,极大地避免因冷链设备自身故障、人为操作失误、制冷剂失效等问题引起地冷藏药品的质量问题,保障医药冷链设备持续有效的运行,从而提高医药冷链的可靠性。无线传感器网络的拓扑结构有星型网、树形网和网状网。星型网是一个单跳网络,结构最简单,最易实现,最容易诊断维护故障,适用于小范围室内监测。树形网是分级的集中控制型网络,成本较低,节点易于扩充。但各子节点对母节点的依赖性强,若母节点发生故障,则其子节点都不能正常工作。网状网是一个多跳网络,任意两个节点间均可通信,因此该网络传输距离远,覆盖范围大,自愈能力强,网络可靠性高,但该网络结构复杂,可维护性差。综上所述,各种网络结构都有其优缺点,适用于不同场合。本文最终采用节点功耗最低的星型网络拓扑结构,以监测终端为网络协调器,构建低功耗、短延时、易于维护的高效的监测网络系统。2.医药冷链温度记录仪总体设计本文设计了一个基于无线传感器网络的智能温度记录仪,可用于对冷藏药品从加工、贮藏、运输到使用前的全程温度监测、记录和预警。本记录仪由若干个无线传感器节点和一个智能监测终端组成,其中无线传感器节点分别对批量贮藏箱体、移动运输工具进行实时周期性地温度采集和预处理,并同步发送给站内监测终端；终端对多项监测任务数据进行海量存储、分析处理,并可实现高低温短信报警,以及向监管部门和使用者提供历史数据追溯。3.记录仪的硬件设计根据记录仪的总体设计方案,本智能温度记录仪由无线传感器节点和智能监测终端两部分组成。本文分别对节点和终端模块化,并依次完成各个部分的功能框图设计、器件选型、原理图设计、PCB设计和实物焊接。其中节点包括传感器单元、主控单元、通信单元和电池四部分,终端包括主控单元、触摸屏、通信单元、报警单元、存储单元和电源。1)节点选用超低功耗芯片ATmega169作为主控芯片,利用温度传感器Pt100采集冷藏环境温度数据,通过射频模块JTT4432与智能监测终端实时交互温度信息,采用两节七号碱电池供电。整个节点设计具备微型化、低功耗、低成本、可扩展性和高可靠性等特点。2)高精度测量电路。温度传感器Pt100经恒流源驱动电路,产生一个精密的温度电压值,该电压信号流过低温漂高精度运放进行信号调理,再通过二阶有源低通滤波器提高抗干扰能力,最后经单片机12bit ADC采样、软件处理获取-100～100℃范围内,精度为0.1℃的温度数据。3)监测终端采用主从控制模式,触摸屏SK_AE050为主机,单片机ATmega128为从机,通过RS232连接。触摸屏触发Atmega128通过无线通信模块JTT4432与节点交互温度信息；Atmega128对节点返回的数据分析汇总；海量温度数据被存储在SD卡中；当温度超限时,GSM模块TC35实时向用户发送报警短信；电源采用220V市电,经AC-DC电源模块LH20-10B24输出24V电压。4.记录仪的软件设计无线传感器节点的软件部分主要包括主程序、温度采集子程序、射频收发子程序、显示子程序和电池控制子程序。节点首先对Atmage169及各模块芯片初始化,配置节点处于休眠状态；按设定频率采集温度数据,并对数据预处理、显示；同时节点随时等待射频中断触发,接收监测终端发来的命令帧,收到处理命令帧,载入采集数据值返回终端。智能监测终端软件包括内部通信程序和外围控制程序。其中触摸屏与单片机间的内部通信通过MODBUS协议实现；终端外围控制程序又包括主程序、数据存储子程序、射频收发子程序和报警子程序等。5.人机界面设计友好的人机交互环境是仪器设计的重要组成之一。本设计采用触摸屏为用户提供一个生动、直观的、易于操作的监测环境。本记录仪实现的人机交互功能包括,用户登录、节点拓扑图、参数设置、监测数据显示、高低温报警和历史数据查询等。人机界面的实现主要分为两部分：基于组态软件SKWorkshop4.0.0的画面设计；基于MODBUS协议完成与单片机通讯程序编写。6.整机性能测试在已搭建的实验平台上,进行整机性能测试。主要包括测温实验、通信可靠性实验和电池工作时间计算。通过多次性能测试结果表明,本文研发的基于无线传感器网络的智能温度记录仪,基本实现了预期的设计目标,可有效的解决医药冷链监控过程中对高精度、全程记录、低功耗、实时报警和历史追溯的需求。通过该无线温度记录仪的应用,实现实时在线冷链设备温度监控,大幅提高血液、疫苗等冷藏药品冷链保障的可靠性,依据记录数据验证冷链储运性能,降低工作人员劳动强度,避免因设备故障或人员操作失误造成宝贵的药品因温度问题而损坏。采用该记录仪全天候监测、记录、预警,多方位冷链异常信息获取,真正实现无人值守冷链实时在线监控功能,提高医药储运的监控效率和监控的可靠性,及时预警。综上所述,本文的主要成果和创新点主要有：1.高精度测温电路。关键是设计高精度恒流源和二阶有源低通滤波器,优化参数,匹配设计,提高抗干扰能力。2.无线通信节点设计。射频系统基于传输线理论,因此对器件布局,PCB设计,天线的方向都有很高的要求,设计高效射频通路是系统的关键。3.友好的人机界面。基于触摸屏模式设计的终端,界面友好,操作简单。虽然本文研制的温度记录仪已基本实现了预期的设计目标,但设计中还存在这不足,有待进一步完善,今后的工作可能有：1.网络结构优化。本文采用的相对简单的星型网络结构,适合小范围的监控现场,但对于监控设备数量大的现场应用,可尝试网状网络结构。运用精度高、可靠性高、网状网进一步完善网络结构。2.融合物联网技术。随着科技的发展,人们对物联网的认识,可考虑添加节点定位功能、并融入RFID技术。完善记录仪在冷链移动现场的作业能力,提高医药冷链的信息管理水平。

全文目录

摘要  3-8
ABSTRACT  8-18
第一章绪论  18-26
  1.1 研究背景及研究意义  18-19
  1.2 温度记录仪的研究现状及发展趋势  19-24
    1.2.1 国外研究现状  19-21
    1.2.2 国内研究现状  21-23
    1.2.3 国内外现状总结分析  23-24
  1.3 论文的主要研究内容及结构  24-26
    1.3.1 主要研究内容  24
    1.3.2 本文结构  24-26
第二章温度记录仪总体设计方案  26-33
  2.1 无线传感器网络  26-30
    2.1.1 无线传感器网络概述  26-27
    2.1.2 WSN技术在医药冷链中的应用  27
    2.1.3 无线传感器网络拓扑结构  27-29
    2.1.4 通信频率对比  29-30
  2.2 温度记录仪总体设计方案  30-32
    2.2.1 温度记录仪总体设计方案  30-31
    2.2.2 性能指标  31
    2.2.3 记录仪特点  31-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章温度记录仪硬件设计  33-45
  3.1 记录仪硬件结构设计  33-34
  3.2 器件选型  34-39
    3.2.1 温度传感器  34
    3.2.2 节点主控芯片  34-35
    3.2.3 通信模块  35-36
    3.2.4 节点电源模块  36-37
    3.2.5 终端主控芯片  37
    3.2.6 触摸屏  37-38
    3.2.7 报警单元  38-39
    3.2.8 终端电源  39
  3.3 电路设计  39-43
    3.3.1 高精度测温电路  39-41
    3.3.2 射频电路  41
    3.3.3 电池升压电路  41-42
    3.3.4 SD卡电路  42
    3.3.5 终端电源电路  42-43
  3.4 PCB设计  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第四章温度记录仪软件设计  45-50
  4.1 节点软件设计  45-47
    4.1.1 射频收发子程序  46-47
  4.2 终端软件设计  47-49
    4.2.1 SD卡驱动子程序  48-49
  4.3 本章小结  49-50
第五章人机界面设计  50-60
  5.1 MODBUS协议简介  50-51
    5.1.1 MODBUS RTU传输模式  50-51
    5.1.2 MODBUS数据模型  51
  5.2 基于SKWORKSHOP的组态画面设计  51-54
  5.3 基于MODBUS协议的与单片机通信实现  54-56
  5.4 触摸屏通信控制测试  56-59
    5.4.1 读位操作(读取线圈状态)  56-57
    5.4.2 写位操作(强制单个线圈)  57-58
    5.4.3 读字操作(读取保持寄存器)  58
    5.4.4 写字操作(预置单个寄存器)  58-59
  5.5 本章小结  59-60
第六章整机调试与性能分析  60-66
  6.1 传输距离测试  60-61
    6.1.1 无障碍通信测试  60
    6.1.2 有障碍通信测试  60-61
  6.2 测温测验  61
  6.3 基本功能测试  61-62
  6.4 节点电池工作时间计算  62-65
  6.5 本章小结  65-66
第七章总结与展望  66-68
  7.1 总结  66-67
  7.2 展望  67-68
参考文献  68-71
攻读学位期间成果  71-72
致谢  72-73

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