医疗冷链运输箱监控系统开发

骆晓晶，李年攸

（三明学院 信息工程学院 福建省农业物联网应用重点实验室，福建 三明 365004）

0 引言

医疗冷链主要针对生物药品、疫苗、血液等具有高时效、高价值和容易变质特征的对象，涉及生产、运输、储存和使用等环节[1]。由于医疗药品等对温湿度、时效性有特定要求，所以它们的运输过程就显得尤其关键，一旦处理不当便会导致药品质量降低，疫苗和血液制品失效，甚至危害到病人的身体健康和生命安全。相关统计显示，每年都有大量的药品因在运输途中的温湿度、时间的管控不当而浪费，造成了很大的经济损失[2-3]。

国外一些发达国家的医疗冷链发展起步较早，技术和设备基础条件更成熟，建设有更完整的监控体系和行业规范。比如，已有研究人员将GPS 定位技术运用到药品运输过程中，并利用无线通信技术将实时监测数据传输到监控界面，为医疗冷链行业发展做出了显著贡献。

我国的医疗冷链行业相比国外并不发达，虽有较大龙头企业支撑，如顺丰公司等，但在相对落后的城市和农村，冷链的基础设施建设仍较落后，设备不够先进，技术体系也不成熟。医疗冷链体系仍然存在缺乏统一行业规范、实时监控体系、完善的追溯机制等问题。近年来，随着国家政策的扶持和倡导，以及科学技术的发展，一些新技术如RFID、GPS配备温度控制系统、冷链GPS 和实时温湿度监控等技术在医疗冷链物流中得到应用，以确保药品在运输过程中的安全。在当前的医疗冷链中承担运输任务的主要是冷藏车，配合以冷藏箱和保温箱的短途配送，与药品运输小批量、多批次的特点相比，成本高，无法实时准确掌握冷链药品的环境数据和地理位置，给消费者造成不必要的用药风险[4-6]。

为了解决医疗冷链运输环节存在的短板，本文提出了一种医疗冷链运输箱监控系统[7-10]解决方案。方案提出便携式医疗冷链运输箱的设计，对箱体中的温湿度、光照及箱体位置等参数实时进行在线监测，并实现温度的自动控制，确保药品的安全，降低运输成本，增加灵活性，适用于小批量多批次的药品运输。

1 系统总体设计

医疗冷链运输箱监控系统网络拓扑如图1所示。系统主要由便携式医疗冷链运输箱、服务器、Web 客户端及微信小程序组成。其中设备负责采集温湿度、光照、位置、指示灯状态和制冷模块工作状态等数据，由通信模块适时向服务器发送；制冷模块完成温度调节，以保证药品的质量。服务器负责数据的收集存储；Web客户端可以设置箱内的温度阈值，显示箱内的环境数据；小程序为移动客户提供数据信息。

图1 系统网络拓扑

2 设备设计与制作

便携式医疗冷链运输箱硬件设备主要包括Arduino UNO R3 单片机（自带无线WiFi 模块）、AM2302 温湿度传感器、NEO-M8N GPS 模块、光照传感器（BH1750）、移动4G 路由器、TFT 液晶显示彩屏、LED 指示灯、半导体制冷模块（由TEC1-12706 制冷片、散热片、风扇、导热胶、升压模块、硅胶片、网罩等组装而成），如图2所示。其中光照传感器用于检测箱体的密闭性，在设备初始化时完成检测，值越小说明箱体密闭性越好；移动4G 路由器为设备提供稳定的通信信号源，确保工作时设备不掉线；LED 指示灯用于直观判断箱体中的温度与药品实际所需温度差值大小，从而决定是否启动制冷模块。将相关元器件连接在一起所实现的设备实物如图3所示。利用该设备，可以采集到药品所处环境的温湿度、光照、位置等数据，显示并上传至服务器，制冷模块根据环境温度是否即将达到阈值自动切换工作状态，以确保药品的质量。

图2 便携式医疗冷链运输箱组成

图3 医疗冷链运输箱实物

3 系统工作流程

设备使用前，先将4G 路由器的SSID 和连接密码按照设计方案进行配置，WiFi 模块功能代码实现指定连接。

3.1 系统初始化

设备开机后，点亮所有状态指示灯，状态变量全部置为True，WiFi 模块自动搜索并连接上4G 路由器提供的WiFi 热点，将初始温湿度、光照、位置等数据上传至服务器，并在Web 页面显示，以便管理员对设备密闭性和网络状态进行检查，确定是否启用该设备。一旦启用，管理员将通过Web 对本批次药品的有效温度区间进行设置。

3.2 阈值选择

由于不同药品的有效温度区间不尽相同，因此每次启用设备运送药品前都必须由管理员通过Web 端对本批次疫苗的有效温度区间（下限用min 表示，上限用max 表示，长度用d表示）进行设置。系统将根据温差（箱体中温度与有效温度区间上限的距离）是否达到临界值实现制冷设备的开/关自动控制。而这里的临界值即阈值，先用max-0.1d表示，后期将根据测试数据对制冷设备的效率进行客观评估，并根据评估结果重新设定。

3.3 数据采集

系统通过采集现场数据作为决策的依据。其中光照强度体现出箱体的密闭性；温度决定是否需要启动/关闭制冷设备，当温差达到阈值时启动制冷设备降温，当温度降至区间下界时关闭制冷设备；位置数据为后续工作的安排提供参照；将三色灯状态数据与制冷设备状态数据结合，用于判断设备是否工作正常等，绿、黄、红分别表示温度在正常区间min～（min+0.8d）、缓冲区间（max-0.2d）～（max-0.1d）和预警区间（max-0.1d～max）。数据采集的时间间隔将根据温度所在区间不同而调整，在正常区间和缓冲区间时数据采集时间间隔为该药品在异常情况下能维持有效的最长时间（用Exp 表示），在非正常区间（包括预警区间）时数据采集时间间隔为0.1Exp，确保持续有效监测。

3.4 数据传输

系统通过4G 路由器将设备工作数据发送到服务器，经处理后分别在Web 端和微信小程序端显示。数据发送遵循异常触发机制：正常情况下一个周期（即Exp）发一次；一旦系统检测到数据异常，则转换成密集（0.1Exp）发送，直到现场恢复正常。这里所指的异常包括光照数据过大（设备密闭性不足），温差过小（接近失效，启动制冷设备降温），制冷设备的工作状态与当前温度、三色灯状态量产生矛盾（系统或设备故障）等。

3.5 数据处理

将云服务器收集到数据进行整理入库，根据数据间的关系自动判断出设备是否正常工作（存储数据表元组级约束实现自动提醒），并通过Web 页面和微信小程序图形化展示，让管理员和用户都能实时了解本批次药品的情况。系统工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程

4 系统功能实现

系统的运转由设备端、Web 端和小程序共同完成。设备端负责数据采集、传输，并实现自动控制，Web 端负责数据展示和初始参数的设置，小程序可以方便用户随时随地掌握药品的状态。

4.1 设备端的功能实现

设备端的主要功能是数据采集、数据传输与自动控制，其中传输使用MQTT 协议，防止网络信号的中断导致数据传输不完整，主要功能代码如下：

自动控制要实现制冷设备的开关和状态数据的设置，主要功能代码如下：

4.2 Web 端功能实现

Web 端主要功能是为管理员提供初始参数设置、设备与实时数据信息、图形化历史数据信息、设备定位信息、药品溯源信息等。其中参数设置操作界面如图5所示。

图5 参数设置操作界面

Web 端设置好的参数要起作用，必须通过服务器传送到设备端的Arduino 网关，主要功能代码如下：

设备与实时数据信息显示界面如图6所示。温湿度和光照历史数据显示界面如图7所示。设备定位信息显示界面如图8所示。

图6 设备及实时数据信息显示界面

图7 温湿度和光照历史数据显示界面

图8 设备定位显示界面

获取信息的主要代码如下：

4.3 微信小程序功能实现

微信小程序为用户提供了更为便捷的数据服务，包括温湿度、光照、冷机状态和位置等实时信息，操作界面如图9所示。历史数据监测情况如图10所示。

图9 用户实时数据查询

图10 历史数据监测情况

5 结语

本文开发的医疗冷链运输箱监控系统为医疗冷链各环节，特别是运输环节，提供了一种灵活性高、成本低、续航时间长、通信稳定的技术解决方案，能对设备所处环境数据完成实时采集、传输、存储、查询与展示，并实现预警和温度自动控制，让用户能随时随地掌握药品所处的环境，为药品安全提供有力保障，为后续行动提供决策依据，并可以推广应用到其他冷链领域。