生物樣本運輸智能化監管系統的開發*

繆曉中,彭 力

(1.無錫職業技術學院電子與信息系,江蘇 無錫 214121;2.江南大學物聯網工程學院,江蘇 無錫 214121)

生物樣本運輸智能化監管系統的開發*

繆曉中1*,彭 力2

(1.無錫職業技術學院電子與信息系,江蘇 無錫 214121;2.江南大學物聯網工程學院,江蘇 無錫 214121)

為解決生物樣本運輸過程中的安全問題,設計了將GPS定位系統、GPRS移動通信網和Internet網絡、Web-GIS地理信息系統進行有機組合,對以STM8L151超低功耗微控制器為控制核心的智能化便攜式生物樣本冷藏箱進行監控的系統。實現對生物樣本運輸過程的實時溫度檢測、實時準確位置定位等操作,建立了生物樣本運輸智能化監管系統。實驗結果表明溫度數據測量與傳輸準確可靠,物品位置與運輸路徑顯示準確。

智能化運輸;狀態實時監控;無線傳感網;GPS;GPRS;GIS;RFID

生物樣本主要是指標準化收集、處理、儲存健康的或疾病生物體的生物分子、細胞、組織和器官等樣本。這些生物樣本具有與其相關的臨床、病理、治療、隨訪、知情同意等生物材料信息和其他相關信息[1]。對于一個大型樣本庫,在長期的樣本收集和使用過程中,由于樣本反復取出和存放,手動識別和追蹤樣本將成為一項不可能完成的任務。因此,生物樣本庫信息系統要具備強大的樣本識別和追蹤能力,每份樣本在信息系統中應有唯一識別號,樣本從采集到處理、儲存、配送運輸、使用后剩余返回重新儲存等全過程都應被有效記錄,并可通過信息系統查詢追溯[2]。本文采用無線傳感網相關技術實現了對智能化便攜式生物樣本冷藏箱中的生物樣本信息識別、存儲,運輸過程中的實時溫度檢測、實時準確位置定位,確保樣本的質量與安全。

1 智能化便攜式生物樣本冷藏箱設計

運輸智能化監管系統的監測對象是便攜式生物樣本冷藏箱,該冷藏箱不同于普通的冷藏箱[3],而是采用了諸多信息技術,實現了多數據采集和傳輸的智能化。

如圖1所示,通過PC上位機軟件給生物樣本冷藏箱系統設置服務器IP地址、端口號、采樣時間、上傳數據時間等參數。STM8L151C8微控制器接收到之后,將參數保存至EEPROM芯片AT24C04中,下次開機時將自動讀取EEPROM中的參數。系統通過GPS模塊通信,獲取實時地理位置信息。微控制器根據設置好的時間間隔讀取溫度傳感器DS18B20的溫度數據。溫度、地理數據存儲入TF卡,做歷史備份數據,以備GPRS模塊連接不上網絡時使用。RFID電子標簽對于生物樣本冷藏箱進行身份識別,并存儲一定量的生物樣本信息。GPRS數據通信模塊根據設置好的參數連接服務器,與服務器進行數據通信,上傳地理位置、溫度、時間等數據。

圖1 智能化便攜式生物樣本冷藏箱的組成框圖

智能化便攜式生物樣本冷藏箱的電路如圖2所示。

圖2 智能化便攜式生物樣本冷藏箱的電路圖

1.1 樣本冷藏箱的微控制器STM8L151

樣本冷藏箱采用的STM8L微控制器為意法半導體出品的超低功耗芯片,功耗比MSP430還要低。選擇此款芯片主要有兩個因素:一是低功耗,生物樣本在運輸過程中采用便攜式智能化的冷藏箱,其供電采用鋰電池,因此功耗是需重點考慮的。二是該芯片具有3個UART接口,而我們這個系統恰好需要3個UART接口。UART1通過USB轉TTL芯片CH340T與PC上位機通信;UART2與GPS模塊相連,用于獲取位置信息;UART3與GPRS模塊相連,進行無線通信。另外,此芯片具有蜂鳴器驅動接口、RTC、IIC、SPI、ADC,可以滿足系統需求。蜂鳴器驅動板載的無源蜂鳴器,用于本地報警;RTC用于獲取系統時間、IIC總線用于驅動EEPROM,存儲系統參數;SPI總線用于驅動TF卡,存儲數據;ADC用于監測電池電壓。另外還擴展2路LED,用于指示。晶振采用內部晶振。

1.2 樣本RFID電子標簽

利用RFID電子標簽對于生物樣本運送箱進行身份識別,不但具有非接觸式識別的特性,安全可靠,而且還有一定的數據存儲空間,可以存儲一定量的生物樣本信息,通過對電子標簽的讀出和寫入信息,可以將箱內盛放的樣本信息化,實現生物樣本的信息化管理[4]。

本項目采用13.56 MHZ高頻RFID標簽,工作頻率為13.56 MHZ,該技術采用ISO/IEC14443標準,信號接口采用ISO/IEC14443標準中的TAPE A。標簽內有1 kbyte容量EEPROM,可用于存放生物樣本的信息,數據保存期可達10年,可改寫10萬次,讀無限次。另外,閱讀器和標簽的讀寫距離在10 cm以內,滿足實際操作需求。

1.3 樣本位置的GPS定位模塊

便攜式冷藏箱內的STM8微控制器實時采集GPS位置信息,通過GPRS通信模塊與上層實時數據上傳。同時還可接受上層的各種指令,實現對位置信息的實時查詢任務。GPS選用瑞士U-blox NEO-6 GPS模塊,其尺寸小,專為低功耗和低成本而設計。U-blox 6系列接收模塊在小巧的封裝中提供了高性能和高層次的集成能力,非常適用于對尺寸有嚴格要求的終端產品。

1.4 樣本GPRS通信鏈路

GPRS通用無線分組業務GPRS(General Packet Radio Service)基于GSM網絡,共用GSM頻率,共享GSM網絡的絕大部分基礎設施。利用GPRS無線數據網作為數據傳輸網絡,可以充分利用和發揮GPRS在移動數據通信方面的技術優勢。如用戶容量大大提高,且可以提供移動網到TCP/IP互聯網的接口,很適合移動物體數據采集系統的GPS位置、溫度等數據的傳輸要求。便攜式冷藏箱采用GPRS DTU通信模塊,對冷藏箱配置IP地址及端口號,串口的波特率等參數,并且將配置好的參數保存在內部的EEPROM存儲器件內。一旦上電,就自動按照設置好的參數進行工作[5]。

2 智能化監管系統的網絡結構

如圖3所示,該系統在邏輯上主要由GPS定位與數據采集系統、GPRS移動通信網和Internet網絡、Web-GIS信息管理系統有機組合而成。在物理上則主要由智能生物樣本冷藏箱、GPRS通信網、服務器(Web Server)、信息發布終端4部分構成。工作時,由數據通信服務器完成中心和客戶端之間數據流的接收和發送,并對數據作分類預處理,即直接輸入數據庫或實時轉發給客戶端;數據庫服務器專門支持GIS空間地理信息和樣本冷藏箱屬性信息屬性數據庫;信息發布Web服務器通過Web B/S方式支持客戶端數據訪問服務[6]。

圖3 生物樣本運輸智能化監管系統的網絡結構圖

2.1 數據采集與傳輸端

便攜式冷藏箱在運輸過程中,通過冷藏箱內微控制器的控制,將采集到的地理位置、狀態、溫度等原始數據通過GPRS 傳送到互聯網,數據發送到中心的服務器進行處理并存入數據庫。系統含有兩個數據庫,一是樣本冷藏箱信息數據庫,包括箱體的編號、用途、規格、型號、登記時間、使用范圍、容積、應用特征、技術參數等一系列該箱體的基本屬性信息。二是GIS空間地理數據庫,用于以獲取箱體實時定位信息和歷史記錄信息,實現地圖位置顯示、運動軌跡、實時定位、速度測量等一系列功能。通過直觀的GIS 地理信息,可以對系統內的箱體進行全面跟蹤掌握和查詢[7]。

2.2 數據查詢終端

數據溯源查詢端采用瀏覽器/Web應用服務器/數據庫服務器體系結構(B/S結構),用Web瀏覽器(如IE瀏覽器)作為客戶端應用軟件,用網頁發布軟件(如ⅡS)作為Web應用服務器,再加上數據庫服務器(如SQL Server)。用戶使用瀏覽器通過Internet向Web應用服務器發出頁面請求,Web應用服務器對頁面請求進行處理,最終將靜態頁面或帶有從數據庫取出數據的動態頁面返回給用戶瀏覽器,供用戶閱讀。該結構不需要安裝任何應用軟件即可使用,極大地方便了用戶,得到了廣泛的使用。終端查詢系統通過Web 方式、手機移動終端以有線或無線方式等對物流過程的運輸路徑、在途時間、冷藏溫度等信息進行溯源查詢[8]。

在實際開發中采用基于.NET Framework框架的Web開發平臺的ASP.NET技術,C#開發語言和Visual studio 2012 編譯環境,開發實現GIS的Web應用,實現地圖的顯示和信息查詢。

圖4 生物樣本運輸時的路徑圖

樣本運輸系統的可視化監控界面如圖4、圖5所示,可以設置系統工作時的各個參數。通過提取GPS的經緯度信息來進行實際運輸時位置實時跟蹤、繪制運輸路徑圖、歷史軌跡重現。以及實時溫度的獲取,運輸過程溫度變化曲線的顯示等[9]。

圖5 生物樣本運輸過程中的實時溫度數據曲線

3 結論

本系統通過RFID 電子標簽技術對于每個生物樣本的來源、內容、規格、運送目的地等數據進行存儲與識別,可以使生物樣本從最初的樣本運輸、存放管理等過程實現信息化管理。采用GPS定位技術、GPRS移動數據網技術和基于B/S方式GIS 地理信息管理技術結合,實現在Web瀏覽器上對生物樣本的溫度數據實時查詢和電子地圖上的位置路徑軌跡實時查詢,為樣本的安全管理和安全運輸、跟蹤提供了有效保障。因此,利用GPRS移動通信網的優良傳輸性能和IP接入的技術特點,將基于B/S方式的GIS系統應用與GPS定位系統有機地結合,構成的對移動物體各參數的實時監控的網絡架構,具有廣泛的技術應用前景。

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DevelopmentofIntelligentSupervisionSystemforBiologicalSampleTransportation*

MIAOXiaozhong1*,PENGLi2

(1.School of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Department of Electronics and Information Engineering,Wuxi Institute of Technology,Wuxi Jiangsu 214121,China)

To solve the security problems of biological samples on transportation,the monitoring system for the portable biological sample refrigerator was designed based on STM8L151 ultra low power microcontroller as the control core through the organic combination of GPS,GPRS mobile communication network and Internet GPS positioning system. The real time temperature measurement,real-time accurate location and other operations were realized,and the intelligent monitoring system for the transport of biological samples was established. The experimental results show that the measurement and transmission of temperature data are accurate and reliable,and the location of the goods and the display of the transport path are perfect.

intelligent transportation;state real time monitoring;wireless sensor network;GPS;GPRS;GIS;RFID

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.040

項目來源:江蘇省產學研聯合創新資金——前瞻性聯合研究項目(BY2014023-25)

2016-08-25修改日期2016-10-10

TP393

A

1005-9490(2017)05-1262-04

繆曉中(1972-),男,漢族,江蘇無錫人,無錫職業技術學院工作,副教授,碩士,主要從事儀器儀表、嵌入式系統、物聯網技術方面的研究,mxz72410@163.com;

彭力(1967-),男,漢族,河北唐山人,江南大學物聯網工程學院,教授、博士生導師,研究方向為控制理論與控制工程、模式識別與智能系統,pengli@jiangnan.edu.cn。