基于开发板的医用冷藏箱温度监测装置设计

杜健宁，石子鸣，张 萌，孟祥雨，卢东生

（首都医科大学附属北京友谊医院医学工程处，北京 100050）

0 引言

医用冷藏箱主要应用于医疗卫生、生物制药等领域，是必不可少的医疗设备之一。医用冷藏箱内部温度在2～8 ℃范围内波动，相比于普通冰箱和商用冰箱有更高的控温精度要求，具有温度波动值小等特点[1-2]。

通常，医疗机构所使用的医用冷藏箱具有完善的报警系统，且配置监测运行的温度记录器，如输血科常见的三洋MBR-506D 医用冷藏箱配备了温度异常报警装置以及监控温度的工作站，可供查询其历史温度曲线。当温度异常时，工程师可通过查看历史温度曲线进行故障诊断，从而尽快维修。然而部分科室仍在使用的老旧医用冷藏箱不具备报警系统或温度记录装置，如遇故障，管理者不能及时得知医用冷藏箱内温度异常的情况，不但易造成药品或试剂的损失，而且不利于工程师开展故障诊断和维修工作。目前，国内、外有关医用冷藏箱温度监测装置的设计层出不穷[1-5]，虽然均可实现对医用冷藏箱温、湿度的无线监测，并具备报警功能，但仅限于手机消息推送报警，不具备声光报警，且需通过显示器或其他终端显示监测结果，不但增加成本，而且不便于随时监测温湿度数据[1-2]。本研究设计一款医用冷藏箱温度监测装置，使管理者通过手机即可实现对医用冷藏箱温湿度的监测[6-9]。本装置不仅可以实时反映医用冷藏箱内部温湿度，还能够记录温湿度数据，并能通过图表反映医用冷藏箱内温湿度的变化。在温度超出正常值持续5 min 后，本装置会通过指示灯、蜂鸣和微信提醒3 种途径告知管理者，以便其及时处置医用冷藏箱内的物品或联系工程师进行维修。

1 医用冷藏箱温度监测装置的设计

1.1 硬件设计和连接

本装置硬件由WeMos D1 Mini 开发板、DHT11 数字温湿度传感器模块、有机发光二极管（organic lightemitting diode，OLED）显示屏、RGB 模块和蜂鸣器模块组成，整体电路原理图如图1 所示。通过WeMos D1 Mini 开发板板载的ESP-8266 物联网芯片实现联网功能，通过DHT11 数字温湿度传感器模块采集温湿度数据，由OLED 显示屏实时显示医用冷藏箱内的温湿度数据。在监测到温度异常时，通过RGB模块以及蜂鸣器模块进行声光报警。医用冷藏箱温度监测装置的硬件结构框图如图2 所示。

图1 医用冷藏箱温度监测装置整体电路原理图

图2 医用冷藏箱监测装置硬件结构框图

1.1.1 WeMos D1 Mini 开发板

医用冷藏箱温度监测装置采用WeMos D1 Mini开发板，实现对DHT11 数字温湿度传感器模块、OLED显示屏、RGB 模块以及蜂鸣器模块的控制，接收DHT11 数字温湿度传感器模块的温湿度数据并由ESP-8266 无线发送至手机端Blinker App[10-13]。

1.1.2 DHT11 数字温湿度传感器模块

本研究采用的DHT11 是一款温湿度复合传感器，因其应用了专用数字模块采集技术和温湿度传感技术而具有较高的可靠性和稳定性。该传感器温度量程为-20～60 ℃，精度为±2 ℃；相对湿度量程为5%～95%，精度为±5%[14-17]。

1.1.3 OLED 显示屏

本研究采用四针式0.96 in（1 in=25.4 mm）集成电路总线（inter-integrated circuit，IIC）通信的OLED 显示屏，用于实时显示DHT11 数字温湿度传感器模块传输的温湿度数据，并提供国家标准时间显示[18]。

1.1.4 RGB 模块

RGB 模块作为医用冷藏箱内部的温度指示灯，当医用冷藏箱内温度正常时，绿灯亮起；当医用冷藏箱内温度异常时，红灯亮起。

1.1.5 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块采用低电平触发。当医用冷藏箱内温度正常时，蜂鸣器模块静息；当医用冷藏箱内温度异常时，触发低电平，蜂鸣器模块报警。

1.2 软件编程和配置

医用冷藏箱温度监测装置的软件设计部分包含硬件控制程序的编写及手机端Blinker App 界面的制作。硬件控制程序在Arduino IDE 上完成编写和调试后烧录至WeMos D1 Mini 开发板，实现对医用冷藏箱温度监测装置各个硬件模块的控制。手机端Blinker App 能够直观地反映医用冷藏箱内部的瞬时温湿度数值和历史温湿度曲线，供管理者查看。Blinker“点灯物联”微信公众号在医用冷藏箱内温度异常时会给管理者发送微信提醒，以便及时处置。

1.2.1 硬件控制程序

硬件控制程序的流程为：（1）通过WeMos D1 Mini开发板连接USB 或用电池提供5 V 电压进行供电，传感器复位，ESP-8266 物联网芯片启动，发送国家标准时间至OLED 显示屏。（2）DHT11 数字温湿度传感器模块获取医用冷藏箱内温湿度并传输至WeMos D1 Mini 开发板，分别在OLED 显示屏和手机端Blinker App 进行温湿度数据的显示，供管理员进行查询。（3）为防止开门引起误报警或频繁报警，采取报警延时设置：当医用冷藏箱内温度高于8 ℃或低于2 ℃持续5 min 时，蜂鸣器模块响起，RGB 模块由绿灯变为红灯，Blinker“点灯物联”微信公众号发送温度异常微信消息告知管理员[19-21]。医用冷藏箱温度监测装置的工作流程图如图3 所示。

图3 医用冷藏箱温度监测装置工作流程图

1.2.2 手机端Blinker App 界面制作

手机端Blinker App 用于显示医用冷藏箱内的温湿度数据和曲线，使管理者能够在移动端随时随地了解医用冷藏箱的当前和历史运行状态，其界面制作步骤为：（1）在手机端Blinker App 中新建设备；（2）在新建设备界面里分别添加温度和湿度数据显示组件；（3）分别添加温度和湿度图表组件，以显示温度和湿度曲线；（4）添加“消音”和“刷新”组件，以供装置的消音和实时刷新温湿度数据；（5）在Arduino IDE 上进行Blinker App 的程序配置。

2 医用冷藏箱温度监测装置的测试

2.1 测试场景布置

本装置体积为50mm×50mm×25mm，质量为50 g，便于放置或贴附。经测量，引线直径为2 mm，箱门关闭后可与医用冷藏箱密封条贴合良好，不影响其密封。

医用冷藏箱温度监测装置的测试在本院门诊西药房中的2 台海尔HYC-940 医用冷藏箱上进行，其冷藏室温度范围为2～8 ℃，测试用医用冷藏箱及装置放置示意图如图4 所示。为了不影响取送药工作，将医用冷藏箱温度监测装置贴附于医用冷藏箱侧面，如图4（b）所示。将DHT11 数字温湿度传感器置于冷藏箱内，通过引线与医用冷藏箱监测装置连接，装置通过USB 供电。

图4 测试用医用冷藏箱实物及装置放置示意图

2.2 装置功能测试

2.2.1 报警功能测试

医用冷藏箱1：（1）将DHT11 数字温湿度传感器模块置于医用冷藏箱内，其温度显示4.3 ℃，监测装置测得医用冷藏箱内温度为4.4 ℃，RGB 模块绿灯亮，指示温度正常；（2）打开医用冷藏箱门，使内部温度升高（测得当时室内温度为24.5 ℃），当冷藏箱温度显示8.1 ℃时，监测装置测得其内部温度为8.1 ℃且继续升高，5 min 后RGB 模块由绿灯亮变为红灯亮，蜂鸣器模块警报响起，管理者随即收到Blinker“点灯物联”微信公众号发送的“High Temperature”信息（如图5 所示）；（3）关闭医用冷藏箱门，当其温度显示7.9 ℃时，监测装置测得医用冷藏箱内温度为8.0 ℃，RGB 模块由红灯亮变为绿灯亮，蜂鸣器模块警报停止。

图5 Blinker “点灯物联” 微信公众号发送消息内容界面

医用冷藏箱2：测试方法同医用冷藏箱1，使其内部温度升高，当医用冷藏箱温度显示为8.0 ℃时，监测装置测得其内部温度为8.1 ℃且继续升高，5 min后RGB 模块由绿灯亮变为红灯亮，蜂鸣器模块警报响起，管理者随即收到“High Temperature”信息；关闭医用冷藏箱门，当其温度显示7.9 ℃时，监测装置测得医用冷藏箱内温度为7.9 ℃，RGB 模块由红灯亮变为绿灯亮，蜂鸣器模块警报停止。

通过将DHT11 数字温湿度传感器置于冰袋上模拟医用冷藏箱内温度低于2 ℃的情况，监测装置显示温度下降至1.9 ℃且继续降低，5 min 后RGB 模块由绿灯亮变为红灯亮，蜂鸣器模块警报响起，管理者随即收到“Low Temperature”信息；移除冰袋，当监测装置显示温度上升至2.1 ℃时，RGB 模块由红灯亮变为绿灯亮，蜂鸣器模块警报停止。

本装置能够对医用冷藏箱内的温湿度进行显示，在其正常工作时提供指示，在医用冷藏箱内温度高于8 ℃或低于2 ℃持续5 min 后进行声光报警并发送微信提醒。

2.2.2 测温效果测试

医用冷藏箱温度监测装置选用的DHT11 数字温湿度传感器精度误差可达±2 ℃，因而需进行量程内（2～8 ℃）测温效果测试。分别对2 台医用冷藏箱内温度进行60 min 监测，监测装置和医用冷藏箱显示的温度数值随时间变化的数据详见表1～2。

表1 医用冷藏箱1 温度监测数据 单位：℃

表2 医用冷藏箱2 温度监测数据 单位：℃

经数据比对，在测温过程中本装置与医用冷藏箱显示温度的最大差值为±0.2 ℃。

2.2.3 手机端Blinker App 功能测试

手机端Blinker App 界面如图6 所示，其功能测试流程为：（1）将硬件部分上电后打开App，App 显示当前瞬时温度为3.3 ℃，文字提示为“正常”；（2）打开医用冷藏箱门，使其箱内温度升高（测得当时室内温度为24.5 ℃），当App 显示医用冷藏箱内温度高于8 ℃时，App 文字提示为“高温”；（3）将DHT11 数字温湿度传感器置于冰袋上，当App 显示温度低于2 ℃时，App 文字提示为“低温”；（4）在蜂鸣器模块报警时，按下“消音”组件，蜂鸣器模块警报停止；（5）按下“刷新”组件，App 随即收到刷新后的温湿度数据。

图6 手机端Blinker App 界面

经测试，手机端Blinker App 能够显示温湿度瞬时数据，提供最近1 h、1 d 以及1 周温湿度历史数据图表，且“消音”“刷新”组件工作正常。

3 结语

本研究的意义在于解决老旧医用冷藏箱不具备报警系统或温度记录装置的问题，使管理者能够实时监测老旧医用冷藏箱的温湿度数据，在其内部温度异常时收到微信消息推送，以便及时维修，减少药物、血袋等物品因储藏不当造成的损失。本装置的创新之处在于其体积小巧、成本低廉、易于操作，能够有效监测医用冷藏箱内的温湿度变化，并在温度异常时及时告知管理者。

本装置的不足之处在于选用的DHT11数字温湿度传感器虽然成本较低，但其本身存在的误差较大，在测量范围为0～50 ℃时的误差为±2 ℃，可能会引发装置误报警；置于医用冷藏箱内部的传感器需要通过引线连接开发板，对样本或药品的取放造成一定的不便。下一步计划将温湿度采集模块更换成测量精度为±0.6 ℃（0～60 ℃）的SHT30，改善设备测量精度；将装置内嵌于医用冷藏箱内，去除冗余引线，提高装置集成度；在全医院进行推广，根据本装置在各科室的使用情况在硬件和软件方面加以改进。