基于阿里云的無(wú)線IOT在數(shù)字制藥車(chē)間場(chǎng)景下的設(shè)計(jì)應(yīng)用

蔣夢(mèng)云　尚雨欣

關(guān)鍵詞：CC2530；4G模塊；ZigBee組網(wǎng)；制藥車(chē)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）03-0085-03

0 引言

數(shù)字制藥車(chē)間是一種新型制造車(chē)間，作為實(shí)現(xiàn)智能制藥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠顯著提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也能帶來(lái)更高的生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)品精度以及更高的生產(chǎn)安全性。數(shù)字車(chē)間通過(guò)融合互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和追溯、智能化的生產(chǎn)調(diào)度以及生產(chǎn)過(guò)程的可視化管理等多種功能。此外，數(shù)字車(chē)間還可以通過(guò)人機(jī)協(xié)作等方式，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，從而最大化地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源的利用效益。在智能制造的趨勢(shì)下，數(shù)字車(chē)間將會(huì)發(fā)揮更加重要的作用，為制藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的動(dòng)力[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

在數(shù)字制藥車(chē)間的無(wú)線IOT 設(shè)計(jì)中，通過(guò)選型和設(shè)計(jì)，最終選用了CC2530作為主控芯片。CC2530能夠勝任各種復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。同時(shí)，構(gòu)建了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)連接不同類(lèi)型的傳感器，這樣一來(lái)，就能夠更好地監(jiān)測(cè)制藥車(chē)間的各種數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其獨(dú)特的地址，這是為了區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)和傳感器數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)能夠?qū)⑹占降臄?shù)據(jù)按照MQTT協(xié)議進(jìn)行封裝，然后發(fā)送給主控芯片[2]。

作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器（Coordinator） ，主控芯片負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，確保它們能夠正常工作并接收存儲(chǔ)來(lái)自節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的消息。當(dāng)接收到消息后，主控芯片會(huì)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給終端設(shè)備，如PC或手機(jī)等。

終端設(shè)備通過(guò)串口與主控芯片進(jìn)行通信，發(fā)送請(qǐng)求命令。主控芯片將會(huì)從存儲(chǔ)器中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給終端設(shè)備。終端設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)顯示在Web端，用戶可以通過(guò)Web界面查看和分析這些數(shù)據(jù)，從而更好地了解制藥車(chē)間的運(yùn)行情況，整體系統(tǒng)搭建如圖1所示。

1.1 IoT 端設(shè)計(jì)

項(xiàng)目利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IOT） ，借助各類(lèi)傳感器，如溫濕度傳感器、氣體傳感器等，對(duì)車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。隨后，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，將數(shù)據(jù)封裝成符合MQTT協(xié)議格式的消息，并發(fā)布至特定主題（Topic） 上。在阿里云IOT平臺(tái)上，創(chuàng)建了一個(gè)物理類(lèi)模型（ThingModel） ，詳細(xì)定義了設(shè)備的屬性、事件和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的雙向通信。當(dāng)設(shè)備向阿里云IOT平臺(tái)發(fā)布消息時(shí)，平臺(tái)將根據(jù)物理類(lèi)模型對(duì)消息進(jìn)行解析，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，并可通過(guò)Web可視化開(kāi)發(fā)工作臺(tái)或API接口進(jìn)行信息展示與處理[3]。

核心代碼如下：

def process_data（data）：

# 調(diào)用人工智能模型捕捉監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

for d in data：

image_data = capture_image（）

image_data = preprocess_image（image_data）

predictions = model.predict（image_data）

predicted_class = np.argmax（predictions）

predicted_class_name = class_names[pre?dicted_class]

print（f"Predicted class： {predicted_class_name}"）

return

if __name__ == "__main__"：

thread = threading.Thread（target=publish_thread）

thread.start（）

while True：

# read sensor data

temperature = read_temperature（）

humidity = read_humidity（）

gas_level = read_gas（）

publish_data（temperature， humidity， gas_level）

time.sleep（5）

thread.join（）

1.2 Web 云端設(shè)計(jì)

項(xiàng)目基于阿里云提供的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具—IOT Studio，利用其可視化應(yīng)用開(kāi)發(fā)、服務(wù)開(kāi)發(fā)等功能，快速構(gòu)建了一個(gè)適合物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的Web頁(yè)面模型。該模型可實(shí)時(shí)展示車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并賦予相應(yīng)的控制功能。在IOT Studio平臺(tái)上，通過(guò)拖拽組件、配置屬性、編寫(xiě)腳本等方式，在云端IDE 框架下進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，無(wú)須關(guān)注底層技術(shù)細(xì)節(jié)，降低了開(kāi)發(fā)難度和成本。同時(shí)，IOT Studio還支持與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、華為云IOT平臺(tái)等其他物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)進(jìn)行集成和對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和管理。

2 硬件模塊實(shí)現(xiàn)

在硬件模塊的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首要考慮的是各類(lèi)傳感器與執(zhí)行器的選型及電路設(shè)計(jì)。為了滿足數(shù)字制藥車(chē)間的實(shí)際需求，可以選擇包括溫度、濕度、壓力、液位等傳感器以及如電磁閥、電機(jī)等各種執(zhí)行器。而在電路設(shè)計(jì)上，需要細(xì)致考慮電源管理、信號(hào)處理以及接口設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

2.1 車(chē)間環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

車(chē)間模塊通過(guò)部署溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、MQ7等多個(gè)傳感器，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于實(shí)時(shí)采集車(chē)間的溫度、濕度、水浸和CO濃度等環(huán)境參數(shù)。這些傳感器具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥品生產(chǎn)環(huán)境的精確監(jiān)測(cè)。

其中，土壤傳感器利用土壤水分與土壤電導(dǎo)率之間的密切關(guān)系，即當(dāng)土壤含水量增加時(shí)，土壤電導(dǎo)率也相應(yīng)增加；反之則減小。不同類(lèi)型的傳感器還支持溫度補(bǔ)償、校準(zhǔn)曲線等功能，進(jìn)一步提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

2.2 倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

為確保藥品保存環(huán)境的適宜性，構(gòu)建了一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)集成了溫濕度傳感器、光敏傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯仍O(shè)備，可實(shí)時(shí)采集倉(cāng)庫(kù)的溫度、濕度、光敏、火焰值等關(guān)鍵參數(shù)。這些傳感器在組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中發(fā)揮著重要作用，提供了直觀、實(shí)時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

這些傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)組網(wǎng)連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。這種智能化的監(jiān)測(cè)方式能夠提高制藥車(chē)間的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，確保藥品的安全性和有效性。

3 軟件模塊實(shí)現(xiàn)

軟件模塊，以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軟件為核心，介紹制藥車(chē)間系統(tǒng)的軟件模塊。該軟件系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和安全防護(hù)模塊。

3.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊作為軟件系統(tǒng)的核心之一，主要用于采集環(huán)境信息。它涵蓋了溫度、濕度、火焰等參數(shù)的檢測(cè)，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)處理及分析。這一模塊不僅提供了對(duì)車(chē)間環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還為制藥過(guò)程提供了必要的數(shù)據(jù)支持。

此模塊主要用于車(chē)間及廠房的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。它可以實(shí)時(shí)采集車(chē)間及廠房的各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、火焰等環(huán)境參數(shù)，以及機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和分析。這樣可以幫助工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，提高生產(chǎn)效率。

3.2 安全防護(hù)模塊

另一個(gè)模塊是安全防護(hù)模塊，它的主要功能是報(bào)警。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，這一模塊會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警機(jī)制，及時(shí)提醒工作人員進(jìn)行處理，為制藥車(chē)間的安全運(yùn)行提供了有力保障。包含LED顯示燈和蜂鳴器，顯示燈模塊主要用于LED燈的顯示，當(dāng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，相應(yīng)顏色的LED顯示燈會(huì)亮。例如，當(dāng)水浸超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，黃色LED燈會(huì)亮；當(dāng)火焰超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，紅色LED燈會(huì)亮。這樣的設(shè)計(jì)方便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境異常情況，并采取相應(yīng)的處理措施。對(duì)于蜂鳴器模塊，當(dāng)達(dá)到設(shè)定參數(shù)時(shí)，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)響應(yīng)，以提醒工作人員進(jìn)行維護(hù)。

4 Web 可視化模塊實(shí)現(xiàn)

為了提升車(chē)間及倉(cāng)庫(kù)的安全性和效率，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)收集和分析各種環(huán)境數(shù)據(jù)。通過(guò)Web可視化開(kāi)發(fā)工作臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)潔明了的操作和查看界面。這個(gè)界面主要分為兩部分：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部分和控制分析部分[4]。

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部分

在此部分中，可以實(shí)時(shí)顯示車(chē)間內(nèi)的溫度、濕度、火焰、水浸等參數(shù)，以及倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫度、濕度、CO含量、光照度等參數(shù)。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置閾值和報(bào)警方式。一旦某些參數(shù)超過(guò)或低于預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)送短信或郵件提醒用戶，同時(shí)在界面上顯示醒目的紅色警示標(biāo)志。通過(guò)將各個(gè)傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于云端，并進(jìn)行展示與對(duì)比，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)間及倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。這些傳感器包括溫濕度傳感器、MQ7氣體傳感器以及光照度傳感器等，它們通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器。

核心代碼如下：

# Init SMS Client

sms_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_sms（phone_number， alarm_type）：

request = CommonRequest（）

request.set_method（'POST'）

request.set_domain（'dysmsapi.aliyuncs.com'）

request.set_version（'2017-05-25'）

request.set_action_name（'SendSms'）

request. add_query_param（'TemplateParam'， '{"type"："%s"}' % alarm_type）

response = sms_client.do_action_with_exception（re?quest）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Init AliCloud Voice Service

voice_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_voice（phone_number， alarm_type）：

request = SingleCallByTtsRequest. SingleCallByTt?sRequest（）

request.set_accept_format（'json'）

request.set_tts_code（''）

request.set_called_number（phone_number）

request. set_tts_param（'{"type"： "% s"}' % alarm_type）

response = voice_client. do_action_with_exception（request）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Get Device data from Iot

def get_latest_data（device_name）：

# Use SDK

return {"temperature"： 28， "humidity"： 50， "flame"：0， "water"： 0}

# 判斷數(shù)據(jù)是否超過(guò)閾值，并發(fā)送報(bào)警信息

def check_alarm（data， threshold， phone_number，alarm_type）：

if data['temperature'] > threshold['temperature']：

print（"溫度超過(guò)閾值，發(fā)送報(bào)警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['humidity'] > threshold['humidity']：

print（"濕度超過(guò)閾值，發(fā)送報(bào)警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['water'] > threshold['water']：

print（"水浸超過(guò)閾值，發(fā)送報(bào)警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

else：

print（"數(shù)據(jù)正常，不需要發(fā)送報(bào)警信息。"）

4.2 控制分析部分

控制界面部分則允許用戶遠(yuǎn)程控制車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的報(bào)警設(shè)備。用戶可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或預(yù)設(shè)模式進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化車(chē)間及倉(cāng)庫(kù)的工作環(huán)境。不僅如此，用戶還可以將不同時(shí)間段或不同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與統(tǒng)計(jì)，從而發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并優(yōu)化相應(yīng)的方案。這樣的方式，不僅提供了便捷的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方式，也為企業(yè)提供了有效的決策依據(jù)[5]。

此外，為了讓用戶更好地了解外部天氣情況，我們利用墨跡App提供的天氣預(yù)報(bào)接口，在界面上顯示當(dāng)前位置和時(shí)間的天氣狀況、溫度、風(fēng)力、空氣質(zhì)量等信息。這一切的設(shè)計(jì)都是為了提高工作效率和安全性，為用戶提供更便捷、更智能的工作環(huán)境，如圖2 所示。

5 Mobile 頁(yè)面實(shí)現(xiàn)

通過(guò)將各個(gè)傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于云端，并進(jìn)行展示與對(duì)比，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)間及倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。這些傳感器包括溫濕度傳感器、MQ7氣體傳感器以及光照度傳感器等，它們通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器。

在云端服務(wù)器上，運(yùn)用Mobile可視化開(kāi)發(fā)工作臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)展示界面，使得用戶可以輕松地查看并分析各個(gè)傳感器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。還可以將不同時(shí)間段或不同位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比與統(tǒng)計(jì)，從而發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并優(yōu)化相應(yīng)的方案。

6 釘釘端模塊實(shí)現(xiàn)

釘釘端可以實(shí)時(shí)推送設(shè)備上下線、設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)、閾值報(bào)警等多種消息，這種實(shí)時(shí)推送方式可以讓群成員即時(shí)獲取到很多有用信息。這不僅提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作效率，也使得信息共享更加便捷和高效。同時(shí)，釘釘群實(shí)時(shí)推送還能夠與其他釘釘功能結(jié)合使用，例如與日程安排相結(jié)合，自動(dòng)將重要日程和任務(wù)提醒推送至群內(nèi)，提醒群成員關(guān)注和處理。此外，釘釘還支持在群聊中添加機(jī)器人，可以定制機(jī)器人的自動(dòng)回復(fù)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的即時(shí)通信，方便簡(jiǎn)潔，增加工作效率。總的來(lái)說(shuō)，釘釘?shù)膶?shí)時(shí)推送功能為團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目管理和信息共享提供了全新的解決方案，讓工作更加高效便捷，更加智能化。

7 結(jié)論

本文介紹了一種基于阿里云的無(wú)線IOT在數(shù)字制藥車(chē)間應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)我國(guó)制藥產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)環(huán)境控制方面存在的問(wèn)題，提出了一種新穎、高效、可靠、低成本的解決方案。該系統(tǒng)利用溫度、濕度、火焰、MQ-7氣體等多種傳感器，分別部署在車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)內(nèi)部和外部，采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，并通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務(wù)器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。該系統(tǒng)采用基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)方式，在保證通信質(zhì)量和穩(wěn)定性的同時(shí)，降低功耗和成本，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)車(chē)間及倉(cāng)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)云端平臺(tái)，用戶可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)工廠運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)警信息及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)或采取應(yīng)急措施，從而提高制藥工廠的安全性和生產(chǎn)效率。

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】