基于QT/Embedded的动物细胞悬浮培养过程远程监控系统

黄永红，成小东，吴红生

（江苏大学 电气信息工程学院，镇江 212013）

随着现代生物工程技术的发展，细胞工程涉及的基本技术也在不断地进步。动物细胞培养作为细胞工程的重要类别之一，其在药物生产方面具有重要价值。悬浮培养方式具有细胞增殖快、生产效率高等优势，成为当前工业生产疫苗的主流技术，以动物细胞悬浮培养技术为基础的生物制药产业得到了迅速发展[1]。动物细胞培养过程是一个复杂的生物化学过程，涉及细胞的生长、繁殖和代谢，是一个典型的多变量、非线性、强耦合的工业过程[2]。对于这样一个复杂的过程，若操作不当，将会造成巨大的经济损失。因此，实现对动物细胞悬浮培养过程的实时监控，具有非常重要的现实意义。

近年来，嵌入式技术已普遍应用于汽车、航空、智能家居等领域以及各种电子产品中。嵌入式图形用户界面GUI为嵌入式系统提供了一种简便、直观的人机交互接口，使用户可以方便的使用嵌入式产品[3-4]。通信和网络技术的迅速发展使得无线通信技术获得普遍应用，GPRS网络就是其中一种无线通信网络，覆盖范围广，数据传输速度快，通信质量高[5]。在此，采用ARM-Linux嵌入式技术和GPRS无线通讯技术，组建了远程监控系统。

1 系统总体设计方案

针对动物细胞悬浮培养过程的远程监控系统，利用QT/Embedded进行嵌入式GUI的开发，控制系统将现场采集的数据传送到远程监控中心，远程监控中心将采集到的数据进行实时存储、分析，当环境参数出现异常时发出报警信号，管理人员选择相应操作，从而实现对培养过程的远程控制。

该系统整体结构如图1所示，系统分为现场嵌入式监测终端和远程监控中心。

图1 系统的整体结构Fig.1 Overall structure of system

在生产现场下位机（ARM）控制系统采用相应的传感器在线检测反应器内温度、pH值、溶解氧以及搅拌电机转速等环境参数，然后控制系统实时控制各执行机构的动作，从而达到控制动物细胞悬浮培养过程的目的。

上位机（PC）监控系统软件在远程监控中心运行，可以实时显示反应器内的温度、pH值、溶解氧和搅拌电机转速等环境参数，如果环境参数值超过限定值，则系统发出报警信号，并通知管理人员，通过监控界面可以直观地观测到反应器内各参数的变化情况。当需要对环境参数进行查询时，监控中心通过向生产现场发送查询数据包，S3C2440处理器会解析到达的查询数据包，将传感器采集到的数据传回远程监控中心。另外，监控软件具有存储功能，便于管理人员日后查看分析，实现了对动物细胞悬浮培养过程的数字化控制。

2 系统硬件设计

下位机控制系统的硬件平台，主要由微处理器模块（CPU）、存储器模块、GPRS无线传输模块、传感器采集模块、LCD显示模块、JTAG调试接口及串口等部分组成。所设计的动物细胞悬浮培养过程数字控制系统硬件结构如图2所示。

图2 硬件原理Fig.2 Hardware principle

现场监测终端采用ARM9处理器，通过GPRS无线传输模块连接到GPRS网络，然后连接到远程监控中心的计算机，从而实现数据的远程传输。存储器模块用于存放调试好的应用程序和嵌入式Linux操作系统以及采集到的数据，传感器模块用于采集反应器内环境参数的数据，LCD显示模块用于显示系统的相关信息，JTAG接口用于编程人员仿真调试程序。

2.1 微处理器

系统采用Samsung 公司的S3C2440微处理器[6]作为数字控制单元。该芯片是以ARM920T为核心、拥有1个16/32位RISC的微处理器，主频可达400 MHz，低功耗、高性能，具有丰富的片上资源，在开发的过程中可以有效减少外围的设备部件，降低系统的成本，缩短开发周期。

2.2 数据检测与控制模块

在生产现场对环境参数的检测和控制是实现数字化控制系统的关键，数据的检测由温度传感器、pH电极、溶氧电极和电机测速元件等组成，将这些模块的输出信号统一转换成电压信号，然后用1片CD4051作为多路选择开关对电信号进行选择，最后使用增益放大器AD526调节模拟电压信号幅度，经模数转换器ADC进行模数转换后送入S3C2440。S3C2440的CMOS模拟数字转换器ADC可接收8个通道的模拟信号输入，并将其转换为10位二进制数据，在2.5 MHz的A/D转换器时钟下，最大转换速率可达500 kS/s[7]，可以满足系统要求。

控制部分由温度控制、pH控制、溶解氧控制、搅拌电机转速控制和补料控制等组成。温度控制通过电磁阀进行加热冷却的控制，当反应器内温度高于（或低于）某个设定值时，系统开启冷却水电磁阀（或开启加热器），以达到对反应器内温度的控制。pH控制通过pH电极与蠕动泵的联动来控制酸碱的加入，当pH值大于设定值时，系统开启加酸蠕动泵进行调节；当pH值小于设定值时，则启动加碱蠕动泵。

影响溶解氧浓度的因素主要有供给的空气量、搅拌电机转速和发酵罐压力，可以通过调节无菌空气的加入速度和搅拌速度来进行溶氧控制。消泡控制由消泡电极和添加消泡剂的蠕动泵组成，当消泡电极检测到泡沫过多，则开启蠕动泵，以一定的流量加入消泡剂。补料控制由添加营养液的蠕动泵组成。为避免系统故障，对环境参数的控制也可采用手动方式。

2.3 GPRS通信模块

通信模块是整个系统的关键，它为现场监测终端与远程监控中心之间建立通讯链路并为数据的传输与通信的畅通提供可靠保证。常用的无线通信技术中，蓝牙、红外、WiFi及ZigBee等技术均应用于短距离传输[8]，而本控制系统用于远程监控，需要有远程通信的网络。GPRS可以在移动用户与远端的数据网络之间提供一种连接，用GPRS进行数据传输具有永远在线、快捷登陆、高速传输、按流量计费等优点。

本系统选用内置TCP/IP协议的GTM900-C模块[9]，利用基于TCP/IP协议的数据透传功能进行数据远程传输。该模块为华为公司的GPRS模块，支持上行42.8 kb/s和下行85.6 kb/s的最大数据传输速率，GTM900-C通过UART接口与S3C2440处理器进行通信，数据的无线发送和接收、基带信号以及音频信号的处理等功能都是通过AT命令集来实现的。GTM900-C不仅支持MO和MT、点对点和小区广播、TEXT和PDU短消息等消息功能，而且支持PPP，UDP，TCP/IP的GPRS数据传输功能，语音业务支持FR，EFR，HR和AMR的语音编码，完全适合本设计所要求的GSM短消息、GPRS数据传输以及远程中心通信的实时可靠的设计要求。GTM900-C的接口电路原理如图3所示。

图3 GTM900-C接口电路原理Fig.3 Principle of GTM900-C interface circuit

3 系统软件设计

系统软件设计包括了操作系统软件设计和应用程序软件设计。操作系统软件设计又包括引导装载程序BootLoader、Linux内核、各种设备驱动程序和文件系统。应用层软件通过应用程序编程接口API与系统层进行信息交互，系统层则通过设备驱动程序控制S3C2440设备与其他外设。系统软件的层次结构如图4所示。

图4 系统软件层次结构Fig.4 System software hierarchy

（1）BootLoader是在操作系统内核之前运行的一段小程序，类似于Windows系统启动前的BIOS程序。嵌入式系统通过这段小程序，可以初始化硬件设备，建立内存空间的映射图，从而将软硬件带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。

（2）Linux内核是整个嵌入式软件的核心，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。内核以独占的方式执行最底层任务，保证系统稳定运行。系统内核屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个备份文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作[10]。

（3）QT/Embedded是挪威Trolletch公司的图形化界面开发工具QT的嵌入式版本，通过Qt API与Linux I/O以及Framebuffer直接交互，拥有较高的运行效率，整体采用面向对象编程，拥有良好的体系架构和编程模式。

结合动物细胞悬浮培养过程的实际情况，该控制系统主要完成以下功能：下位机完成环境参数（反应器内温度、pH值、溶解氧和搅拌电机转速等）的采集和处理后，通过GPRS无线模块GTM900-C将现场数据与远程中心连接，并实时传送到远程数据库服务器，然后由远程上位机监控系统进行实时显示；上位机对参数进行设置并通过控制下位机实现对培养过程的控制，上位机中通过操作图形界面及多层菜单，能够选择各种操作功能，包括设置限定值、显示过程数据、查看历史数据等。下位机控制系统和上位机监控系统软件流程如图5所示。

4 监控界面设计

图5 下位机控制系统和上位机监控系统流程Fig.5 Flow chart of lower computer control system and upper computer monitoring system

在远程监控中心应用程序的开发环境为QT，它能在桌面与嵌入式平台上开发先进的GUI应用程序，实现所需要的功能，QT以其友好的图形界面、优良的跨平台的特性以及良好的信号与槽机制，广泛应用于工控领域GUI设计。QT/Embedded是专门用于嵌入式开发平台上的QT嵌入式版本，具有优良的跨平台特性；模块化程度高、封装性好，便于重用；丰富的API；支持2D/3D图形渲染，支持OpenGL等[11]。

数据监控中心通过GPRS数据传输单元DTU接入中国移动的GPRS网络。GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS网络进行传送的GPRS无线设备，其内部封装了PPP拨号协议和TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。

在GPRS DTU中放入1张SIM卡，DTU上电后先注册到GPRS网络，然后与数据中心建立连接，GPRS DTU自带自动心跳功能，能够保持通信连接一直存在而不被断开[12]。连接成功后，系统进入数据透传模式，远程监控中心的管理人员通过对所监测的环境参数进行分析，根据需要使用监控软件通过GPRS网络向下位机发送相应的操作命令，下位机收到由监控中心发来的命令后，调用相应的驱动函数执行相应的操作，实现了对动物细胞悬浮培养过程的远程控制。

本质上DTU和数据监控中心建立的连接是SOCKET连接，QT中提供的SOCKET完全使用类的封装机制，采用QT本身的信号与槽机制，管理人员无需接触底层的各种操作，非常直观。远程监控界面如图6所示。

图6 监控主界面Fig.6 Monitor main interface

动物细胞悬浮培养过程监控主界面实时显示生产现场环境参数的数据，可以选择手动控制和自动控制，还可以完成参数设置、查看报警记录、历史曲线等操作。图7所示为系统的控制回路界面，可以对环境参数进行控制。图8所示为pH值的历史曲线，便于管理人员进行数据分析。

图7 控制界面Fig.7 Control interface

图8 历史曲线Fig.8 Historical curve

5 结语

结合嵌入式系统技术、GPRS无线通信技术、现代检测和传感技术可以实现嵌入式远程监控系统。动物细胞悬浮培养过程远程监控系统采用GPRS无线通信方式实现了对动物细胞悬浮培养过程的远程控制，在生产现场下位机控制系统选择具有较强实时处理能力的嵌入式微处理器S3C2440作为数字控制器，在远程监控中心上位机监控系统基于QT/Embedded开发。控制系统可实时监控现场的环境参数和控制各个执行机构的状态，方便管理人员分析和控制，提高了动物细胞悬浮培养过程自动化水平，节省了大量的人力和物力，具有广阔的应用前景。

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