基于GPRS的醫藥品溫度監測報警系統設計與實現

陳 煜，葉 剛

（1.南京工業職業技術學院 計算機與軟件學院，江蘇 南京210023；2.南京航空航天大學 材料科學與技術學院，江蘇 南京210016；3.福澤科技有限公司，浙江 嘉興314000）

0 引 言

醫藥品溫度監測是醫藥品管理的重要內容。隨著醫學的發展和藥品研發的進步，現在醫藥品的種類繁多、數量巨大，在實驗、儲存和運輸等多個環節，均需要進行溫度的嚴格監控。需要低溫保存的醫藥品通常要置于冰箱等控溫設備內保存，而有些長期運轉的控溫設備會由于故障等原因而出現無法準確監測溫度的問題，為了及時發現控溫設備的異常，需要監控控溫設備內溫度的變化。

現有的含溫度信息在內的各類監測報警系統很多［1－8］，但是在應用到醫藥品管理領域時，還有很多需要解決的問題。如：鮮曉東等［1］、張瑞娟［2］、劉卉等［3］、嚴麗平等［4］、王可之等［5］、蔣鵬［6］采用終端發射信號方法向控制核心傳輸傳感器監測到的數據，但對于醫藥品領域來說有些情況下此方法會對其他器械造成影響，而不適宜采用；單一GPRS方式傳送數據［3，7］方式，遠程監控時為獲取實時信息，而帶來通信成本過高的問題；溫陽東等［8］采用總線進行通信，監測范圍擴展性受限；保存數據完整性有待提高［1－2，8］。

本文針對醫藥品管理的實際需求，應用醫療機構大多均已具有的Ethernet網絡條件，構建GPRS網絡和Ethernet網結合的網絡環境，采用了終端和遠程相結合的控制方式，設計并實現了實時溫度監測報警系統。系統終端通過GPRS網絡和Ethernet網傳送數據，解決了傳統方式大規模監測時，通信成本大和不易擴展的問題；數據庫方面采用本地和遠程雙層數據庫存儲數據，確保數據的安全和完整。

1 監測預警系統的總體結構

醫藥品溫度監測預警系統包括溫度傳感器、溫度采集儀和遠程控制中心三部分，工作原理與整體架構如圖1所示。首先將存儲醫藥品的冰箱等溫控設備和溫度傳感器進行一對一的編號，然后將溫度傳感器從溫控設備的排水口處放入相應的設備內部測量溫度，溫度采集儀實時采集溫度信息，存儲至本地數據庫；同時，溫度采集儀將信息通過Ethernet網，上傳至遠程控制中心，存儲至數據庫服務器；當測得的溫度超過預先設置的溫度范圍時，可通過溫度采集儀中的GPRS通信模塊通過GPRS網絡向指定負責人發送SMS報警信息。遠程控制中心接收到數據后，存儲至數據庫服務器。遠程控制中心上運行的監測中心應用系統對數據庫中的信息進行分析和處理，當溫度超過所設置的范圍時，可進行多種報警：通過短信發送程序以SMS的形式發送報警信息給負責人；監測中心應用系統發出聲光報警；發送電子郵件給負責人。用戶可以通過局域網或互聯網訪問遠程控制中心，進行實時監控。數據庫服務器中存儲的數據可通過遠程控制中心上運行的監測中心應用系統進行查詢、修改和刪除等處理。

圖1 系統整體架構與工作原理

2 系統硬件設計

本系統的硬件部分主要包括溫度傳感器和溫度采集儀。溫度采集儀由ARM微處理器S3C44B0X作為控制核心，此外，集成了GPRS通信模塊EM310和網絡芯片DM9000等元件。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構

2.1 控制主板

2.2 溫度傳感器

根據成本和精度的需要，采用Pt100作為溫度傳感器。Pt100是鉑熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。Pt100輸出的是模擬量，本系統使用A／D轉換器轉換為數字量，由圖2中S3C44B0X主板上的ADC接口輸入，每臺溫度采集儀最多可以接入8個傳感器。

2.3 GPRS模塊

本系統采用的是華為技術有限公司生產的EM310 GRPS／GSM模塊。該模塊具有功耗低的特點，待機平均電流為2.5mA，通話模式的最大值為240mA，工作電壓為3.4V－4.7V；協議支持 GSM／GPRS；可通過 AT命令對模塊進行編程，實現語音、SMS、數據和來電顯示、呼叫轉移等功能。

GPRS模塊具有發送SMS信息、語音通話以及數據傳輸等基于GPRS網絡進行通信的功能。如圖2所示，主板S3C44B0X32通過RS232串口與GRPS通信模塊連接，通過發送標準的AT命令，將測得的超過設置范圍的信息，發送至GPRS模塊上SIM卡中設置的號碼，以通知相關負責人預警信息。當該通道的溫度回復正常后，再次發送SMS信息通知負責人溫度數據回復正常的信息。

2.4 網絡芯片

本系統中選用DEVICOM公司研發的DM9000網絡芯片。網絡芯片提供了單片機與以太網連接的通道，主板通過數據總線和控制總線與網絡芯片DM9000連接，S3C440BX首先將采集的溫度數據打包發送至DM9000上，然后再由網絡接口通過LAN或WAN將數據傳送至上位機。

3 系統軟件設計

系統軟件包括溫度采集儀上運行的終端控制單元和遠程控制中心上運行的監測中心系統兩部分。

3.1 終端控制單元的設計

溫度采集儀上運行的終端控制單元在Linux環境下，采用C＋＋語言、miniGUI函數庫，SQLite數據庫技術進行開發。

3.1.1 A／D濾波算法

測量溫度時，溫度傳感器pt100連續采集模擬量，采用防脈沖干擾平均濾波法，對所采集的數據進行數字化處理。該算法為成熟算法，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。本系統中，連續采樣12個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算余下的10個數據的算術平均數。

案例分析是一種基于案例基礎上進行教授的教學模式，教師在教學中鼓勵學生對案例進行自主觀察、分析、思考與總結。相對于傳統教學過程中教師講、學生聽的固定模式，通過案例分析的教學方式學生能自主查閱與案例相關的理論實踐知識，通過不斷地學習來給出最好的案例解決之道。該教學法目前已經在醫學、經濟學、管理學、法學等實踐性和應用性較強的學科取得了廣泛的應用。案例分析的基本思想是以教師案例為中心、學生思考為主體，使學生圍繞著所舉出的案例進行探討型的研究性學習模式，注重于培養學生學習的積極性和學習的綜合能力[3-4]。

3.1.2 終端控制單元設計

終端控制單元通過嵌入式開發集成到溫度采集儀的S3C44B0X上，將傳感器采集的數據進行處理和傳輸，工作流程如圖3所示。初始化后，創建定時器，每4秒采集一次數據并保存到本地小型數據庫SQLite中，SD卡作為介質用于存儲數據。采集到的數據每條大小在20－30字節范圍內，采集儀上配置的SD卡為8G容量，可以儲存2年的數據，足夠滿足實際需求。溫度數據除保存在溫度采集儀上的本地數據庫之外，還通過DM9000網絡芯片發送至遠程控制中心所連接的數據庫服務器。此外，當測得的溫度超過所設置的溫度范圍時，系統發送AT命令控制EM310模塊向預先登錄在溫度采集儀上的號碼發送文本型SMS，進行報警。

圖3 終端控制單元工作流程

3.1.3 GPRS模塊的軟件設計

通過GPRS模塊EM310發送SMS的功能實現流程如圖4所示。

圖4 EM310發送SMS功能實現流程

算法如下：

（1）定義隊列m＿q用于記錄異常數據。當采集到異常數據時，將該數據寫入隊列，同時，將該條數據在數據庫中的記錄異常狀態的字段status設為1。

（2）定義線程proc（）監控m＿q隊列，當m＿q中有數據時，訪問數據庫中所對應的數據和負責人號碼信息，并將status字段重置為0，表示該異常數據已經被處理。

（3）定義方法make＿pdu＿msg，生成發送內容和AT命令。為確保發送的字符不出現亂碼現象，將內容轉換為utf8格式。用于發送信息的AT命令為 “AT＋CMGS＝”后接電話號碼。

（4）定義send＿cmd方法，實現數據的發送。調用send＿cmd方法，參數分別為SMS內容和AT命令，實現對EM310模塊的控制，發送報警短信。

（5）若同一通道采集的數據回復正常，將數據庫中相應status字段設為0，調用make＿pdu＿msg（）方法生成發送內容和AT命令，調用send＿cmd（）方法，發送數據回復正常的SMS短信。

3.2 遠程控制中心系統的設計

遠程控制中心上運行的軟件由通訊程序和監測中心應用系統兩部分組成。通訊程序由即時通訊程序和入庫程序組成。即時通訊程序與各溫度采集儀實時通訊，接收和發送數據指令，將數據以文件的形式保存至通訊服務器。入庫程序將即時通訊程序保存至通訊服務器上的實時溫度數據，輸入到中心的數據庫中，供監測中心應用系統訪問。監測中心應用系統，有查詢，修改，刪除數據，實時監控，聲光報警，參數設置等功能。

監測中心應用系統基于 MVC模式，B／S架構，Web服務器采用WebLogic，數據庫采用Oracle，開發語言采用JAVA的J2SE開發包，所有數據庫處理采用Java Beans形式進行封裝，界面采用JSP＋Java Applet的方式開發。監測中心應用系統的參數設置界面如圖5所示。

圖5 監測中心應用系統的界面

4 實驗與結果分析

4.1 實 驗

根據藥品經營質量管理規范［9］和2010版中國藥典［10］的定義，冷處醫藥品是指需要保存在溫度為2～10℃范圍內的醫療用品或藥品。此類醫藥品在測試等階段需要置于將溫度控制在2～10℃的控溫設備內保存，由于醫藥品通常保存時間長，同時管理部門需監控的設備數量龐大，因此在測試、儲存期內有可能出現設備故障等原因造成測試階段無法正常監控藥品的情況。

本實驗根據實際需求，將開發的醫藥品溫度監測系統用于冰箱內溫度監控。設置溫度傳感器所在的通道范圍為冷處溫度即2℃－10℃，將傳感器從冰箱的排水口置于冰箱內，進行了7×24小時的測試，系統提示的報警狀態與實際預先登錄號碼的手機上接收到的報警短信相吻合。所測得的相應通道的部分溫度曲線圖如圖6（a）所示，查詢相關時間的數據，如圖6（b）可見報警時間、溫度以及報警狀態等記錄。

4.2 結果分析

4.1 中的實驗過程驗證了系統的整體運行過程具有實時性、穩定性和有效性，但是實際溫度與系統測量溫度的誤差，沒有進行驗證。為了進行測量溫度準確度的測試，采用誤差為0.05℃，刻度單位為0.05℃的一等標準水銀溫度計作為標準溫度計，設計了測量實驗。考慮到在冰箱內測量實際溫度時，對標準溫度計讀取的不便，采用以下方法實驗：取6個量杯，分別裝入不同溫度的水，同時放入標準溫度計和傳感器進行測量，記錄下測得的數據，系統的通道范圍仍設為冷處溫度即2℃－10℃。調整水溫，進行了20組上述的測試，測得的所有結果顯示，測得溫度與實際溫度的誤差均在±0.2℃之間。表1為其中一組的測試結果。

圖6 實驗數據的界面

表1 溫度測試結果

實驗結果證明：當溫度超過所設置的范圍時，報警信息在溫度采集儀和遠程控制中心均有提示，同時，預先登錄號碼的手機接收到SMS報警信息，數據存儲在數據庫中能夠進行查詢，并能查看溫度曲線圖。系統測得的溫度與實際溫度的誤差在±0.2℃之間，滿足醫藥品溫度監測的要求。

5 結束語

本系統充分利用醫療機構普遍具有的Ethernet網絡環境，基于GPRS和Ethernet結合的網絡環境，設計了溫度實時測量、傳輸和處理的方案，并加以實現。開發完成的系統測量到的溫度超過預先設置的范圍時，可進行SMS短信報警、聲光報警等多種方式的報警。采集到的數據分別保存在本地數據庫和遠程的數據庫服務器中。經實驗證明：該溫度監測系統通過以太網向遠程控制中心發送數據，即使通過GPRS模塊發送報警短信時，也采用技術處理減少發送報警短信的次數，經濟實用；所記錄數據完整性好；測得數據精度高；監測規模擴展性好。本研究所構筑的系統框架結構也可以應用到其他監測范圍廣、數據完整性和精度要求高的領域。

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