一种新型无线温湿度监测系统的设计与应用*

纪学鑫

医疗器械贮存场所存放着包括各种耗材、试剂及器械等大量医疗器械，对其贮存的温湿度条件均有严格的要求[1]。根据国务院令680号《医疗器械监督管理条例》[2]、18号令《医疗器械使用质量监督管理办法》[3]和《医疗器械临床使用安全管理规范》[4]明确规定，医疗器械使用单位必须制定库房管理制度，并且查看储存场所条件温湿度是否符合，查看储运过程温湿度监测记录[5]。

现阶段对于医疗器械贮存场所温湿度的监测主要采用温湿度计挂在器材库房的各角落监测温湿度，医务人员定期定时查看温湿度并进行记录，其监测方式在时间上存在盲点，当器材库房的中央空调损坏时不能第一时间发现，无法确定温湿度异常的时间点而导致无法保证库房设备的安全存储。传统的温湿度登记不仅耗费大量的人力物力，而且可能有人为失误等情况发生，导致医疗器材存储存在安全隐患[6]。基于此，本研究设计一种新型无线温湿度监测系统，通过温湿度传感器采集库房各点的温湿度，通过WiFi模块将采集的数据传送到中央监测系统上，实现对库房无时间盲点的时时监测和记录，当温湿度异常时监测模块呈现报警状态，及时提示值班的医务人员发现问题和解决问题，进而保证医疗器械存储的安全性[7]。本系统已授权实用新型专利，专利号为ZL201820839610.4。

1 新型无线温湿度监测系统设计

1.1 系统结构

由于医疗器材存储的库房较大，因此无线温湿度监测系统通过4个温湿度传感器采集库房的温湿度，再通过温湿度采集模块和WiFi模块将采集的数据传输到中央监测系统上。系统通过4个温度传感器采集冰箱温度，通过温度采集模块和无线发射模块将监测的温度数据传输到手持显示终端的监控软件上，其系统结构见图1。

图1 无线温湿度监测系统架构

1.2 硬件设计

无线温湿度监测系统的温湿度采集模块采用的主控制芯片为AT89C52，是一款低电压、高性能CMOS的8位单片机，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。系统电路部分包括电源电路、按键电路、晶振电路、复位电路、温湿度采集电路、LCD显示电路以及WiFi模块电路等[8](图2)。

图2 无线温湿度监测系统控制电路

1.2.1 主控制电路模块

无线温湿度监测系统的主控制电路采用的中央处理器为AT89C52，其供电电压采用+3.3 V，主控制电路主要包括晶振电路和复位电路(图3)。

图3 主控制电路模块

图3 显示，晶振电路连接AT89C52的XTAL1脚和XTAL2脚，采用2个并联的电容C1、C2和12 M的晶振，用于系统的计时；复位电路连接AT89C52的RST脚，采用复位按键、电容C3和电阻R1，当系统死机或者出现异常时可以按下复位按键进行复位[9]。

1.2.2 温湿度采集电路

无线温湿度监测系统采用的温度传感器为DS18 B20，其测量范围为-55 ℃～+125 ℃，在-10～+85 ℃范围内，精度为±0.5 ℃。其采用单总线的接口方式与AT89C51连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；单总线具有经济性好、抗干扰能力强、适合于恶劣环境的现场温度测量以及使用方便等优点，非常适合持多点组网功能，即多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。温度传感器的供电电压为3.3 V，采用上拉电阻R3连接温度传感器的VCC脚和I/O脚；温度传感器采集的数据通过AT89C51的P0.0脚进行数据通信，温度采集电路见图4。

图4 温度采集模块电路

湿度传感器采用DHT11，湿度采集电路供电电压为3.3 V，采用上拉电阻R4连接温度传感器的VCC脚和I/O脚；温度传感器采集的数据通过AT89C51的P0.1脚进行数据通信[10]。湿度采集电路见图5。

图5 湿度采集模块电路

1.2.3 WiFi传输模块

无线温湿度监测系统采用的无线传输模块为ESP8266。ESP8266支持802.11b/g/n，支持WPA/WPA2安全模式，内置高精度ADC和稳压器和电源管理组件，2 ms之内唤醒、连接并传输数据包，非常适合温湿度采集后时时发送数据。WiFi模块采用3.3 V供电，通过URXD脚和UTXD脚与主控制芯片的P3.0脚和P3.1脚进行通讯[11]。WiFi传输模块电路见图6。

图6 WiFi传输模块电路

1.2.4 电源模块

无线温湿度监测系统的温湿度采集模块的供电电压为3.3 V，一方面可以通过市电进行整流变压输出3.3 V，另一方面通过内置电池进行供电。为保证输出的电压稳定在3.3 V，电池输出的电压通过电源管理芯片ASM1117进行稳压，在通过电容C4、C5进行滤波，确保输出的电压为3.3 V。当输出电压正常时，电压指示灯处于长亮状态[12-13]。液晶显示模块电路见图7。

图7 液晶显示模块电路

1.3 软件设计

无线温湿度监测系统开机会首先进行系统的初始化，LCD全亮2 s，读取存储在EEPROM中的温度校正参数进行校准，进入温湿度采集子程序进行采集温度数据和湿度数据。当温湿度异常时进入温湿度报警子程序，并将采集温湿度和报警信息显示在LCD上，当中央监测系统开启无线接收功能时，系统进入无线传输子程序。系统具有电池电量监测程序，当显示电池电量异常时会将报警信息显示在LCD上[14]。无线温湿度监测系统主程序流程见图8。

图8 无线温湿度监测系统主程序流程图

2 新型无线温湿度监测系统应用

无线温湿度监测系统在运用过程中，将4个温湿度采集模块和4个温湿度传感器放在医疗器械库房的4个角落，开启每个温湿度采集模块的无线传输功能，能够将库房的温湿度通过无线传输的方式传到中央监测系统，便于医务人员对温湿度的实时关注和记录[15-16]。系统在测试过程中，医疗器械贮存场所的温度设定为22 ℃，相对湿度为60%，其监测的温度值与其他温度的检测值误差为±0.5 ℃，相对湿度误差为1%，整个系统监测准确，基本满足医疗器械贮存场所的使用[17-18]。系统监测的温湿度波动曲线见图9。

图9 无线温湿度监测系统监测的温湿度波动曲线图

3 结论

医疗器械库房放置着整个医院所有的医疗器械和耗材，其大多数都对存储场所的温湿度有严格的要求，传统的温湿度监测手段存在时间盲点，而本研究设计的新型无线温湿度监测系统可以远距离的监测医疗器械存储场所的温湿度，能够第一时间发现医疗器械库房的温湿度异常，进而提示医务人员及时转移那些对温湿度比较敏感的器械和设备，同时可以及时通知设备科对制冷设备进行维护，对各科室医疗器械的安全存放启动了保障作用[15]。采用信息化管理医疗器械库房，不仅符合《医疗器械监督管理条例》的要求，同时可减少人力物力，对整个医疗器械库房的监管起到重要作用[19]。