具有物聯網功能的醫用恒溫反應箱的研制

劉卓夫　張金峰　王琳　羅中明　劉雪　趙虹　錢雨

摘要：介紹了一種具有物聯網功能的醫用恒溫反應箱，該系統包括：觸摸屏人機接口、溫度傳感器、加熱/制冷片、循環泵和WiFi接口，該系統能夠對箱內溫度實現自動控制和調節、實時故障報警及無線數據傳送，通過構建無線網絡，實現了智能手機對該控制系統的遠程實時監控，在進行測試前，對溫度傳感器進行了標定實驗，然后，進行12次重復實驗，每次實驗，連續運行48h，并將歷史數據存貯在觸控屏和智能手機的存儲卡中，實驗結果表明：箱內溫度可以穩定在設置溫度，系統分辨率±0.3℃。

關鍵詞：恒溫反應箱；無線網絡；物聯網；智能手機；數據傳輸

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.008

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2016）06-0039-05

0.引言

醫學樣本采集后的培養與觀察，需要保證與人體體內環境一致；活體組織和血液的低溫處理，則需要相應的低溫保存箱，因此，醫用恒溫系統的開發和研制具有重要的意義和市場價值。

溫度控制技術發展大約經歷了3個階段：①開關控制；②PID控制；③智能控制，隨著各種控制方法的深入研究，逐漸出現了3種方法相結合的控制方式，這種控制方式充分利用了各種控制方法的優勢，達到了最佳的控制效果，其中，1976年，P.J.King和Mamdani等人合作，利用模糊算法對反應器成功實現了溫度控制，這是人類首次采用模糊控制實現溫度控制。

國內市場上供應的恒溫控制箱主要有3類，第一類是普通的恒溫水浴，第二類是結構較復雜的超級恒溫水浴箱，第三類是利用半導體器件實現制冷和制熱的恒溫箱，雖然目前市場上出現各種類型的醫用恒溫控制系統，但共同的缺點是只能夠獨立工作，無法實現系統組網和遠程控制，從而導致人力和財力的浪費。

針對這一缺陷，本文采用無線通信技術和Mod-Bus總線協相結合，構建了具有實時曲線現實、歷史數據存儲、自動報警和遠程無線監控功能的醫用恒溫反應箱系統。在設計過程中，現場總線協議選用MODBUS-RTU標準，無線傳輸采用TCP/IP方式，從而保證數據傳輸的可靠性，通過對儲存的實驗數據進行分析，系統分辨率在±0.3°C。

1.系統硬件設計

本文介紹的醫用恒溫反應箱系統采用STC單片機為主控制器，通過溫度傳感器測得反應箱內溫度，再將溫度信號送入主控制器，由主控器進行信息對比并控制調溫系統來完成溫度控制，同時通過無線WiFi模塊將溫度信息發送至智能手機，從而實現物聯網平臺下的遠程監控，并為多機組網奠定基礎。當實測溫度不符合設定的溫度范圍時，將發出報警信號，同時單片機將啟動加熱或制冷單元，以實現恒溫控制，系統主要包括：觸屏主控面板、溫度傳感器、加熱片、制冷片、循環泵.觸控屏和智能手機上可以實時顯示出溫度數據和歷史曲線，并自動將歷史數據進行存儲。

1.1采集系統設計

下位機系統中，選用STCl5F2K60$2作為中央處理單元，4路數字式溫度傳感器分別接在單片機的P0[0：3]口，WiFi模塊與其P1[0：1]口連接，控制制冷或加熱功能的繼電器與P0[4：5]連接，觸摸屏端口與P3[0：1]連接（如圖l所示）。

2.系統軟件設計

本系統的軟件設計部分主要包括三部分，分別是單片機控制系統的軟件設計，觸摸屏的軟件設計，和基于Android平臺的手機監控軟件設計，在控制部分，主要有系統的溫度測量與數據處理，系統的加熱和制冷，以及水浴循環控制；觸摸屏部分主要應用組態設計嵌入式程序，實現實時顯示和歷史數據的存儲；手機監控部分包括：無線傳輸協議和遠程監控功能。

2.1控制系統的軟件設計

系統的控制部分主要包括：系統的加熱、制冷、水浴循環及數據發送.其軟件設計流程如圖2所示。

這一系列操作都是在單片機的控制之下完成的，無需工作人員手動干預，為了避免溫度控制中的過沖和欠沖現象，在加熱和制冷控制時，采用了分級控制算法。

2.2觸摸屏模塊

觸摸屏采用嵌入式組態軟件編寫程序，應用到的協議是MODBUS總線協議，控制器通信使用主一從技術，即僅一臺設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應.觸摸屏程序設計流程如圖3所示。

作為一種應用廣泛的工業總線協議，大多數的控制設備和儀表可以通過MODBUS協議進行數據信息的傳輸.因為MODBUS協議具有完全公開透明性，這使它成為一通用的工業標準，廣泛的應用于工業控制領域里，MODBUS協議的格式分為RTU模式和ASCII模式，本項目采用的是RTU模式，按照協議中規定的操作時序，消息發送至少要以

3.5個字符時間的停頓間隔開始.在最近一個傳輸字符之后，至少3.5個字符時間的停頓標定了消息的結束，一個新的消息可在此停頓后開始，整個消息幀必須作為一連續的流傳輸，如果在幀完成之前兩個字符問有超過1.5個字符時間的停頓時間，認為幀錯誤，停止接收，清緩沖，直到通信主循環中，清錯誤標志，重新啟動接收，從機地址作為命令的幀第一段數據，是聲明主機命令指向的信息，主機通過地址碼能夠找到目標機從而對目標機進行操作。主機對目標機的具體操作由從機地址后的功能碼做出解釋。

2.3手機模塊

智能手機客戶端的數據來源是下位機，傳輸的手段采用的是TCP/IP通信協議，通過無線路由器構成硬件連接的鏈路，使得信息準確無誤的由下位機傳輸到手機上，本部分的軟件設計應用的語言是Java高級語言，應用的開發軟件是Eclipse 4.0，圖4為智能手機程序流程圖。

3.傳感器校正

利用ESPEC公司溫濕度復合環境試驗箱PVS一3KP對該系統性能進行了測試，旨標定傳感器DSl8820的誤差，并對其校正.對測量溫度的標定曲線如圖5，其中溫度測試范圍為10°C～50°C。

進行溫度精度測試時，試驗箱PVS-3KP每隔5℃設置一個測量點（濕度值設定為相對濕度值55%），分別按照遞增（5℃～50°C）、遞減（50°C～5℃）的順序進行兩組測量，并記錄被測試系統的溫度數據.從圖5中可以看出，傳感器測試結果與試驗箱的溫度偏差為±0.2°C，可以滿足實際需要，而且所選用的4個傳感器具有很好的一致性，從而保證后續測量的可靠性。

4.實驗結果及分析

將4個溫度傳感器探頭均勻分布在恒溫箱中，操控觸控屏將恒溫溫度調節到37°C（模擬人體體溫），啟動設備，連續工作48小時，重復12次相同的實驗，通過，智能手機和觸摸屏的存儲卡記錄數據，并進行分析。

對比智能手機和觸摸屏存儲的歷史數據（圖6），可以看出，二者溫度平均值為36.7°C，具有一致性，這就證明了系統的穩定性和無線傳輸的可靠性，其中的波動，是由于當溫度低于36.6°C時加熱片工作，高于37°C時制冷片工作所造成的，溫度位于36.6～C～37～C之間時保持。

通過統計分析（圖7），可以看出所有12次的數據都能夠滿足要求，溫度偏差±0.3°C。

5.結論

本文介紹了由單片機和溫度傳感器、加熱和制冷模塊，以及液晶顯示模塊和無線WiFi模塊組成的醫用恒溫反應箱，該系統具有實時顯示和歷史數據自動存儲等優點，可應用于醫用生物試劑的保存和培養，該系統硬件系統集成度高，體積小，運行可靠，另外，該系統的一個顯著優點是能夠實現數據的無線傳輸和多機組網，從而為醫療設備的物聯網構建奠定了基礎。