基于GPRS的医药品温度监测报警系统设计与实现

陈 煜，叶 刚

（1.南京工业职业技术学院 计算机与软件学院，江苏 南京210023；2.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，江苏 南京210016；3.福泽科技有限公司，浙江 嘉兴314000）

0 引 言

医药品温度监测是医药品管理的重要内容。随着医学的发展和药品研发的进步，现在医药品的种类繁多、数量巨大，在实验、储存和运输等多个环节，均需要进行温度的严格监控。需要低温保存的医药品通常要置于冰箱等控温设备内保存，而有些长期运转的控温设备会由于故障等原因而出现无法准确监测温度的问题，为了及时发现控温设备的异常，需要监控控温设备内温度的变化。

现有的含温度信息在内的各类监测报警系统很多［1－8］，但是在应用到医药品管理领域时，还有很多需要解决的问题。如：鲜晓东等［1］、张瑞娟［2］、刘卉等［3］、严丽平等［4］、王可之等［5］、蒋鹏［6］采用终端发射信号方法向控制核心传输传感器监测到的数据，但对于医药品领域来说有些情况下此方法会对其他器械造成影响，而不适宜采用；单一GPRS方式传送数据［3，7］方式，远程监控时为获取实时信息，而带来通信成本过高的问题；温阳东等［8］采用总线进行通信，监测范围扩展性受限；保存数据完整性有待提高［1－2，8］。

本文针对医药品管理的实际需求，应用医疗机构大多均已具有的Ethernet网络条件，构建GPRS网络和Ethernet网结合的网络环境，采用了终端和远程相结合的控制方式，设计并实现了实时温度监测报警系统。系统终端通过GPRS网络和Ethernet网传送数据，解决了传统方式大规模监测时，通信成本大和不易扩展的问题；数据库方面采用本地和远程双层数据库存储数据，确保数据的安全和完整。

1 监测预警系统的总体结构

医药品温度监测预警系统包括温度传感器、温度采集仪和远程控制中心三部分，工作原理与整体架构如图1所示。首先将存储医药品的冰箱等温控设备和温度传感器进行一对一的编号，然后将温度传感器从温控设备的排水口处放入相应的设备内部测量温度，温度采集仪实时采集温度信息，存储至本地数据库；同时，温度采集仪将信息通过Ethernet网，上传至远程控制中心，存储至数据库服务器；当测得的温度超过预先设置的温度范围时，可通过温度采集仪中的GPRS通信模块通过GPRS网络向指定负责人发送SMS报警信息。远程控制中心接收到数据后，存储至数据库服务器。远程控制中心上运行的监测中心应用系统对数据库中的信息进行分析和处理，当温度超过所设置的范围时，可进行多种报警：通过短信发送程序以SMS的形式发送报警信息给负责人；监测中心应用系统发出声光报警；发送电子邮件给负责人。用户可以通过局域网或互联网访问远程控制中心，进行实时监控。数据库服务器中存储的数据可通过远程控制中心上运行的监测中心应用系统进行查询、修改和删除等处理。

图1 系统整体架构与工作原理

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分主要包括温度传感器和温度采集仪。温度采集仪由ARM微处理器S3C44B0X作为控制核心，此外，集成了GPRS通信模块EM310和网络芯片DM9000等元件。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

2.1 控制主板

2.2 温度传感器

根据成本和精度的需要，采用Pt100作为温度传感器。Pt100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。Pt100输出的是模拟量，本系统使用A／D转换器转换为数字量，由图2中S3C44B0X主板上的ADC接口输入，每台温度采集仪最多可以接入8个传感器。

2.3 GPRS模块

本系统采用的是华为技术有限公司生产的EM310 GRPS／GSM模块。该模块具有功耗低的特点，待机平均电流为2.5mA，通话模式的最大值为240mA，工作电压为3.4V－4.7V；协议支持 GSM／GPRS；可通过 AT命令对模块进行编程，实现语音、SMS、数据和来电显示、呼叫转移等功能。

GPRS模块具有发送SMS信息、语音通话以及数据传输等基于GPRS网络进行通信的功能。如图2所示，主板S3C44B0X32通过RS232串口与GRPS通信模块连接，通过发送标准的AT命令，将测得的超过设置范围的信息，发送至GPRS模块上SIM卡中设置的号码，以通知相关负责人预警信息。当该通道的温度回复正常后，再次发送SMS信息通知负责人温度数据回复正常的信息。

2.4 网络芯片

本系统中选用DEVICOM公司研发的DM9000网络芯片。网络芯片提供了单片机与以太网连接的通道，主板通过数据总线和控制总线与网络芯片DM9000连接，S3C440BX首先将采集的温度数据打包发送至DM9000上，然后再由网络接口通过LAN或WAN将数据传送至上位机。

3 系统软件设计

系统软件包括温度采集仪上运行的终端控制单元和远程控制中心上运行的监测中心系统两部分。

3.1 终端控制单元的设计

温度采集仪上运行的终端控制单元在Linux环境下，采用C＋＋语言、miniGUI函数库，SQLite数据库技术进行开发。

3.1.1 A／D滤波算法

测量温度时，温度传感器pt100连续采集模拟量，采用防脉冲干扰平均滤波法，对所采集的数据进行数字化处理。该算法为成熟算法，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。本系统中，连续采样12个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算余下的10个数据的算术平均数。

案例分析是一种基于案例基础上进行教授的教学模式，教师在教学中鼓励学生对案例进行自主观察、分析、思考与总结。相对于传统教学过程中教师讲、学生听的固定模式，通过案例分析的教学方式学生能自主查阅与案例相关的理论实践知识，通过不断地学习来给出最好的案例解决之道。该教学法目前已经在医学、经济学、管理学、法学等实践性和应用性较强的学科取得了广泛的应用。案例分析的基本思想是以教师案例为中心、学生思考为主体，使学生围绕着所举出的案例进行探讨型的研究性学习模式，注重于培养学生学习的积极性和学习的综合能力[3-4]。

3.1.2 终端控制单元设计

终端控制单元通过嵌入式开发集成到温度采集仪的S3C44B0X上，将传感器采集的数据进行处理和传输，工作流程如图3所示。初始化后，创建定时器，每4秒采集一次数据并保存到本地小型数据库SQLite中，SD卡作为介质用于存储数据。采集到的数据每条大小在20－30字节范围内，采集仪上配置的SD卡为8G容量，可以储存2年的数据，足够满足实际需求。温度数据除保存在温度采集仪上的本地数据库之外，还通过DM9000网络芯片发送至远程控制中心所连接的数据库服务器。此外，当测得的温度超过所设置的温度范围时，系统发送AT命令控制EM310模块向预先登录在温度采集仪上的号码发送文本型SMS，进行报警。

图3 终端控制单元工作流程

3.1.3 GPRS模块的软件设计

通过GPRS模块EM310发送SMS的功能实现流程如图4所示。

图4 EM310发送SMS功能实现流程

算法如下：

（1）定义队列m＿q用于记录异常数据。当采集到异常数据时，将该数据写入队列，同时，将该条数据在数据库中的记录异常状态的字段status设为1。

（2）定义线程proc（）监控m＿q队列，当m＿q中有数据时，访问数据库中所对应的数据和负责人号码信息，并将status字段重置为0，表示该异常数据已经被处理。

（3）定义方法make＿pdu＿msg，生成发送内容和AT命令。为确保发送的字符不出现乱码现象，将内容转换为utf8格式。用于发送信息的AT命令为 “AT＋CMGS＝”后接电话号码。

（4）定义send＿cmd方法，实现数据的发送。调用send＿cmd方法，参数分别为SMS内容和AT命令，实现对EM310模块的控制，发送报警短信。

（5）若同一通道采集的数据回复正常，将数据库中相应status字段设为0，调用make＿pdu＿msg（）方法生成发送内容和AT命令，调用send＿cmd（）方法，发送数据回复正常的SMS短信。

3.2 远程控制中心系统的设计

远程控制中心上运行的软件由通讯程序和监测中心应用系统两部分组成。通讯程序由即时通讯程序和入库程序组成。即时通讯程序与各温度采集仪实时通讯，接收和发送数据指令，将数据以文件的形式保存至通讯服务器。入库程序将即时通讯程序保存至通讯服务器上的实时温度数据，输入到中心的数据库中，供监测中心应用系统访问。监测中心应用系统，有查询，修改，删除数据，实时监控，声光报警，参数设置等功能。

监测中心应用系统基于 MVC模式，B／S架构，Web服务器采用WebLogic，数据库采用Oracle，开发语言采用JAVA的J2SE开发包，所有数据库处理采用Java Beans形式进行封装，界面采用JSP＋Java Applet的方式开发。监测中心应用系统的参数设置界面如图5所示。

图5 监测中心应用系统的界面

4 实验与结果分析

4.1 实 验

根据药品经营质量管理规范［9］和2010版中国药典［10］的定义，冷处医药品是指需要保存在温度为2～10℃范围内的医疗用品或药品。此类医药品在测试等阶段需要置于将温度控制在2～10℃的控温设备内保存，由于医药品通常保存时间长，同时管理部门需监控的设备数量庞大，因此在测试、储存期内有可能出现设备故障等原因造成测试阶段无法正常监控药品的情况。

本实验根据实际需求，将开发的医药品温度监测系统用于冰箱内温度监控。设置温度传感器所在的通道范围为冷处温度即2℃－10℃，将传感器从冰箱的排水口置于冰箱内，进行了7×24小时的测试，系统提示的报警状态与实际预先登录号码的手机上接收到的报警短信相吻合。所测得的相应通道的部分温度曲线图如图6（a）所示，查询相关时间的数据，如图6（b）可见报警时间、温度以及报警状态等记录。

4.2 结果分析

4.1 中的实验过程验证了系统的整体运行过程具有实时性、稳定性和有效性，但是实际温度与系统测量温度的误差，没有进行验证。为了进行测量温度准确度的测试，采用误差为0.05℃，刻度单位为0.05℃的一等标准水银温度计作为标准温度计，设计了测量实验。考虑到在冰箱内测量实际温度时，对标准温度计读取的不便，采用以下方法实验：取6个量杯，分别装入不同温度的水，同时放入标准温度计和传感器进行测量，记录下测得的数据，系统的通道范围仍设为冷处温度即2℃－10℃。调整水温，进行了20组上述的测试，测得的所有结果显示，测得温度与实际温度的误差均在±0.2℃之间。表1为其中一组的测试结果。

图6 实验数据的界面

表1 温度测试结果

实验结果证明：当温度超过所设置的范围时，报警信息在温度采集仪和远程控制中心均有提示，同时，预先登录号码的手机接收到SMS报警信息，数据存储在数据库中能够进行查询，并能查看温度曲线图。系统测得的温度与实际温度的误差在±0.2℃之间，满足医药品温度监测的要求。

5 结束语

本系统充分利用医疗机构普遍具有的Ethernet网络环境，基于GPRS和Ethernet结合的网络环境，设计了温度实时测量、传输和处理的方案，并加以实现。开发完成的系统测量到的温度超过预先设置的范围时，可进行SMS短信报警、声光报警等多种方式的报警。采集到的数据分别保存在本地数据库和远程的数据库服务器中。经实验证明：该温度监测系统通过以太网向远程控制中心发送数据，即使通过GPRS模块发送报警短信时，也采用技术处理减少发送报警短信的次数，经济实用；所记录数据完整性好；测得数据精度高；监测规模扩展性好。本研究所构筑的系统框架结构也可以应用到其他监测范围广、数据完整性和精度要求高的领域。

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