无线药仓温湿度监控系统设计和实现

林晓松，林少芬，陈清林，朱兆一

(1.集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021)



无线药仓温湿度监控系统设计和实现

林晓松1,2，林少芬1,2，陈清林1,2，朱兆一1,2

(1.集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门 361021)

针对药品仓储过程中温湿度检测点多、系统运行时间长等要求，采用多微处理器的系统结构设计温湿度监控系统。系统下位机模块由多个温湿度传感器和微功率无线传输模块组成，解决传感器放置限制和布线等问题；PC机作为上位机，采用LabVIEW作为软件开发平台。上位机通过串行口读取各传感器数据，同时向控制微处理器发送控制命令，控制空调和加湿机的工作；远程客户端通过以太网访问上位机，获取各种数据和控制状态。通过系统的软硬件可靠性设计，解决系统不间断工作的可靠性问题。试验表明：系统温度测量精度为0.01℃，湿度测量精度为0.05%RH，检测点扩展方便。

无线温湿度监测系统；药仓；温湿度传感器节点；多测点数据采集；远程通信；可靠性设计

0 引言

环境温湿度是影响药品储存质量的重要因素之一，温湿度过高或过低都会使药品变质，危害到消费者安全。按照《药品经营质量管理规范》要求，在药品存储的仓库中都要配备温湿度监测系统，确保药品质量安全。由于不同介质对热的传递特性不一样，对药仓环境温湿度的检测点往往不止一个[1]。由于药品堆积对传感器布置和布线的限制，传统有线数据采集方式无法满足要求[2]。

APC300模块是高度集成超低功耗微功率单向发射模块，模块采用了超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，

内置12bit高精度ADC，可以直接连接主流的各种数字与模拟传感器。APC250模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，模块嵌入高速单片机和高性能射频芯片，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高。APC300、APC250和数字式温湿度传感器相结合，无需额外的MCU和外围器件，也无需编写无线与传感器部分的软件,可实现对多点温湿度的实时监测,具有体积小、放置方便和操作简单等优点。文中采用APC300和数字温湿度传感器SHT11设计了温湿度传感器节点，通过APC250无线接收模块以及串口转USB模块和PC机相连，实现多测点温湿度实时监测和控制。

1 系统结构

药仓温湿度监测系统要求24 h无间断工作，每隔1 min更新1次测点温湿度数据，每隔30 min自动记录1次实时温湿度数据，且要求满足本地声光报警及远程声光报警功能。系统由温湿度传感器、无线传输模块、上位机、下位机四部分组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构

APC300将温湿度传感器的数据经处理后由内嵌的发射芯片发射出去，APC250接收模块接收数据并通过串行口发送到计算机，计算机实现药仓温湿度数据储存、显示、声光报警和远程通信等功能。发生报警时，计算机通过串口返回一个信号，通过控制微处理器的I/O口控制空调和加湿机的工作，进行温湿度的调节。远程客户端利用以太网访问上位机，获取药仓当前温湿度数据和监控状态，实现远程监控。

2 系统硬件设计

2.1 药仓温湿度传感器节点设计

典型的传感器节点由电源管理模块、传感器、微处理器、存储器以及射频模块等组成[3]。由于APC300模块采用了超低功耗单片机和高性能低功耗发射芯片，用户无需额外的MCU和外围器件，也无需编写无线与传感器部分的软件，可直接和各种数字传感器相连。图2表示APC300和SHT11接口电路。

图2 APC300和SHT11接口电路

SHT11的供电电压为2.4～5.5 V，传感器上电后，需等待11 ms超越“休眠”状态。电源引脚(VCC,GND)之间连接了一个104pF电容，用以去耦滤波。SHT11串行时钟输入(SCL)引脚和APC300 UART输入口(AD1/RXD)连接，串行数据口(DATA)和APC300模块使能脚(AD2/TXD)相连，数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。此外，APC300 AUX脚连接到SHT11的GND上，保持置低状态。

2.2 空调、加湿机驱动电路设计

空调和加湿机的控制由单片机I/O口和光电耦合器组成的驱动电路完成，如图3所示。

图3 空调和加湿机驱动电路

图中，发光二极管D1用来指示药仓温湿度状况。当温湿度越限时，上位机通过串口发送一个信号给控制微处理器，微处理器的P1.0口变为低电平，D1亮，光耦导通，双向晶闸管也处于导通状态，从而驱动空调或加湿机。

3 系统软件设计

3.1 系统总流程

系统软件采用模块化设计方法，具有参数设置、温湿度数据显示和存储、波形显示、曲线记录和声光报警功能，人机界面友好，系统软件设计流程如图4所示。

图4 系统程序流程图

3.1.1 参数设置

为了增加系统的灵活性，一些基本参数，如串口号、波特率、数据位以及温湿度上下限，需要允许用户自行设置。LabVIEW提供了配置文件模块，通过对配置文件的读写可实现基本参数的设置和更新，如图5所示。

图5 参数设置后面板程序框图

首先创建一个.ini文件，用于保存参数数据。当需要修改参数时，利用写入键值模块将新的参数值写入.ini文件，并保存，则.ini文件里的内容发生改变，并读取出来显示在界面上。

3.1.2 数据存储和查询

LabSQL将复杂的底层ADO(AetiveXDataobject)和SQL操作封装成一系列的LabSQLVls，用户可以通过调用子Vl的方式轻松实现对Access数据库的访问,简单易用[4]。使用LabSQL对Access数据库访问的步骤是：首先建立一个Access数据源，用以描述用户需要访问的数据库及参数设置；然后在ODBC上选择数据源驱动和设置数据源参数；最后调用LabSQL子VI和编写SQL语言实现数据库的插入、删除和查询功能。

数据存储时，由于系统要求每30 min记录1次实时温湿度数据，每1 min更新1次实时温湿度数据显示，为了解决数据显示和数据存储不同步问题，需另外创建1个数组，每次更新1次实时温湿度数据显示，则将之前数据放进数组里，此时数组指针加1，直到第30个数据时，利用索引数组提取该数据，并通过LabSQL其存进数据库里，同时将数组指针清0。数据存储的流程是：首先用ADO Connection Open.vi打开数据源，然后利用连接字符串模块将监测时间、监测点名称整合成一字符串输入SQL Execute.vi中，并编写SQL语句将温湿度数据插入相应位置，最后关闭数据源。

数据查询时，首先用ADO Connection Open.vi打开数据源，然后利用连接字符串模块将测点、监测时间起始和结束信息整合成一个字符串输入ADO Command Set Command Text.vi中，调用ADO Command Execute.vi执行命令，最后通过SQL Fetch Data.vi获取查询的数据并显示于界面。用户可以查询任意一个测点以及任意时间段内的温湿度数据，以便进行记录和定期报告。

3.1.3 远程通信

DataSocket技术是一项基于Microsoft的COM和ActiveX技术的一种编程工具,它面向网络化测试，克服了传输速率慢的缺点,大大简化了Internet 网上测控数据交换的编程[5]。由于DataSocket源于TCP /IP协议并对其进行了高度封装，具有跨机器、跨语言、跨进程的实时数据共享功能，用户只需知道数据源和数据宿及需要交换的数据就可以直接进行高层应用程序的开发,实现高速数据传输,而不必关心底层实现细节,从而简化了通信程序的编写过程,提高了编程效率[6]。

为了实现远程显示和声光报警功能，利用DataSocket技术对外提供的资源定位接口和功能调用接口，客户端可通过资源定位符 URL对源地址进行定位。资源定位符 URL中包括了了数据的传输协议、网络计算机标志和数据缓冲区变量，客户端只需输入和源地址一样的IP地址，即可实现和远程服务器之间的通信，如图6所示。其中Dstp是DataSocket技术专门的通信协议，支持字符型、布尔型、整型和数组型等各种类型数据，其使用格式是dstp://计算机名或IP地址/数据缓冲区变量。

图6 DataSocket技术远程通信

4 系统可靠性设计

目前，二次诊断和可靠性问题是监测系统不可忽视和急需解决的问题[7]。为了使无线药仓温湿度监测系统满足业主的可靠性要求，分别对系统硬件和软件两部分进行可靠性设计。

4.1 系统硬件可靠性设计

根据《SJ/T11141-2003 LED显示屏通用规范》和参考文献[8]得到系统各个器件失效率，并采用系统故障树分析和蒙特卡罗法相结合方法进行仿真，可知温湿度传感器和蓝牙模块是系统薄弱环节，对系统影响较大。系统采用非运行状态备用冗余对温湿度传感器和蓝牙模块进行冗余设计，即用开关切断故障部件电源的同时接通备用部件电源，使其投入运行，同时工作人员及时更换故障部件，减少了两者故障对系统工作的影响。

4.2 系统软件可靠性设计

4.2.1 数据接收可靠性设计

为了保证数据接收的准确性和可靠性，在数据接收程序设计中采取了如下措施：

(1) 设置温湿度上下限，将采集数据与上下限比较，若越限则报警，并将数据摒弃，重新接收数据。

(2) 对于重要参数的输入，要求进行多次确认；对于非法参数输入，系统自动报警或自动复位。

4.2.2 远程网络通信可靠性设计

为了使上位机远程通信过程不产生紊乱，采用阻塞式通信方式，达到通信双方互锁目的[9]。首先下位机输入IP地址请求连接，只有连接成功后，上位机才开始发送数据包，为保证数据正确发送到远程PC机，上位机每发送一数据包，必须得到远程PC机正确接收到数据的响应，否则重新发送数据包。远程PC机接收到正确数据包后，对数据包进行解析，调用显示子程序。

5 系统测试

接通直流电源，利用rfsensor软件设置波特率、传感器类型和数据采集时间，并为每个传感器编号，以便数据采集程序的设计；打开LabVIEW程序，输入用户名和密码进入监测主界面，设置好串口号、波特率和温湿度上下限，则系统正常运行。测试结果如图7所示。

由上图可看出，系统以温湿度显示和温湿度曲线趋势图反应药仓温湿度状况，每个监测点采集5次则计算一次温湿度平均值并显示于界面上；温湿度上下限可人为改动，当温湿度越限时，报警灯将变亮且报警器发出报警声；用户通过选择监测点和监测时间段可以查看历史数据，以进行数据记录和报告。远程客户端输入上位机的IP地址，可以查看当前温湿度数据和监控状态。经测试，无线药仓温湿度监测系统可以正常进行温湿度监测，具有较好的稳定性和精确性。

图7 系统监测主界面

6 结束语

(1) 采用低功耗无线收发模块APC250和APC250以及数字温湿度传感器SHT11设计温湿度传感器节点具有扩展方便、安装位置灵活、功耗低、测量精度高以及稳定性好等特点。

(2) 系统监测界面友好，有良好的人机交互性，操作简单，功能较全，实验结果直观。

(3) 采用DataSocket技术实现远程温湿度显示和声光报警功能，减少了冗余数据的传递，提高传输速率，满足实时性要求。

[1] 邓德源，王成栋，苗强.基于CAN总线的温湿度在线监测系统设计.仪表技术与传感器，2013(12): 40-42.

[2] 王翥，魏德宝，王玲.基于WSN的温室大棚温湿度监测系统的设计.仪表技术与传感器，2010(10): 45-48.

[3] 蓝会立，罗功坤，廖凤依，等.基于传感器网络的烟叶发酵温湿度监测系统研制.计算机测量与控制，2013，21(4):910-912.

[4] 周欢，莫军，李代生，等.基于LabSQL的LabVIEW数据库访问功能研究.仪器仪表学报，2009，30(6):321-324.

[5] 程琴，卢博友，彭君建，等.基于DataSocket的风机远程测试系统设计.微计算机信息，2008，24(9):110-112.

[6] 尹兴波，马海瑞，周爱军.基于DataSocket技术的LabVIEW远程测试.自动化与仪器仪表，2005(4):61-63,71.

[7] 易朋兴，杜润生，杨叔子，等.基于MarkoV模型的分布式监测系统可靠性研究.机械工程学报，2005，41(6):143-148.

[8] 严龙，苏永清，岳继光.大型浮吊控制系统可靠性分析与仿真.舰船电子工程，2009(7):164-167.

[9] 陈惠滨，黄海.ATMega128 IAP技术在移动数据采集器中的应用.电子器件，2005，28(1):101-104,109.

Design and Implementation of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Drug Storehouse

LIN Xiao-song1,2,LIN Shao-fen1,2,CHEN Qing-lin1,2,ZHU Zhao-yi1,2

(1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China; 2.Key Laboratory of Ship and Ocean Engineering in Fujian Province,Xiamen 361021,China)

Aiming at the requirements of multi-points of temperature and humidity measurement and long time operation in the process of drug store,multiple microprocessors structure was used to design temperature and humidity monitoring system.The slave computer module of system included temperature and humidity sensors and micropower wireless transmitting modules,and the problems of limitation for sensors placed and wire layout were solved; The personal computer was adopted as the host one,and the software was developed in the platform of LabVIEW.The host computer obtained data from all sensors through the serial port,and meanwhile it sent the control command to the control microprocessor to control the operation of air conditioner and humidifier;The remote clients visited the host computer via Ethernet to obtain all data and control states.By means of the reliability design of the system’s hardware and software,the reliability problem of uninterrupted work of the system was solved.The results of experiment show that the measurement accuracies of temperature and humidity of the system is 0.01℃ and 0.05%RH separately,and the measurement points can be extended easily.

wireless temperature and humidity monitoring system; drug storehouse; temperature and humidity sensor node; data acquisition for Multi- measurement points; remote communication; reliability design

交通运输部应用基础研究项目(2014329815100)

2014-09-21 收修改稿日期：2015-02-17

TP274

A

1002-1841(2015)07-0077-04

林晓松(1990—)，研究生，主要研究方向为嵌入式系统。E-mail：825102733@qq.com

林少芬(1962—)，教授，博导，主要研究方向为机电液一体化的可靠性和仿真研究、精艺造船技术。E-mail：shaofenlin@163.com