生物安全洁净室压差实时监测系统设计

刘晓飞，王 斌，徐 博，吕 川，张良力

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081）

随着生物、医疗、卫生事业的快速发展，在生物病毒研究、生物技术开发、遗传基因工程、特殊医疗手术病房方面，越来越多的生物安全洁净室相继建立和投入，但是由于种种原因，洁净室安全事故时有发生，例如在病原体研究实验中，工作人员的发病率比普通人群高5～7倍，病原体逃逸出设施造成他人和动物感染的事例也有发生，所以加强生物安全洁净室的科学防护尤为重要[1]。

对于生物安全洁净室，房间静态压差控制是保证安全防护屏障的关键指标，要使洁净室的负压梯度得到稳定可靠的控制，就必须对洁净室的压差实现精确的实时监测[2-3]。本文基于GSM/GPRS无线传输技术设计了洁净室压差监测系统，GPRS网络的无线组网方式是在原有工业以太网基础上，以GPRS无线方式进行数据传输，既省去了有线网络的布线成本，又增强了组网方式的灵活性和可扩充性[4]。最重要的是通过GSM功能可以实现短消息提醒功能，在洁净室压差控制不符合规定时，通知相关实验室人员及时做好防护措施，能有效避免安全事故的发生。

1 系统总体设计

该监测系统主要由现场监测装置和远程控制中心上位机系统组成。现场监测装置包括高精度空气压差传感器和无线远程通讯装置，其中，空气压差传感器选用了霍尼韦尔DPT52型，检测数据经过变送器由RS485串行总线汇总传送给通讯装置。通讯装置通过GPRS无线网络将信息发送给工业以太网服务器，同时实现短消息提醒功能。远程控制中心上位机基于FameView组态软件编程实现PLC控制和系统监测，采用S7TCP通讯驱动和工业以太网进行通讯，实现数据的存储和管理。整套监测系统数据传输稳定，可扩展性强，而且与工业以太网和PLC工业控制系统有效地结合在一起，实现了与工业控制系统的兼容，整体结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

2 无线通讯装置设计

无线通信装置主要实现传感器信息的接收和远传。使用ATmega128微处理器作为主控芯片，结合RS485总线技术和GSM/GPRS无线通讯技术，实现数据的实时采集和传输。为了提高数据传输的精确性，无线通讯装置还设计有物理地址拨码器，通过拨码器对每个通讯装置定义不同的物理地址，再对路由器进行端口映射配置，就能允许特定的通讯装置向工业以太网的某台电脑发起连接，设定准确的数据传输线路。通讯装置结构框图如图2所示。

图2 通讯装置结构框图Fig.2 Structure diagram of communication module

2.1 通讯装置主控单片机

系统选用由ATMEL公司研发出的RISC精简指令集高速AVR 8位单片机ATmega128作为主控芯片。该单片机具有增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位、屏蔽数据帧等功能。提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，加之AVR单片机指令执行速度高，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。

2.2 GSM/GPRS无线通讯装置

系统选用了SiemensMC55iT型三频GSM/GPRS模块来实现与工业以太网之间的数据交换和短信发送功能。具有普通GSM模块的通话、短信、电话簿管理、CSD（电路交换数据）传输功能和无线GPRS传输功能，内置完整的TCP/IP协议栈，支持标准ITU-T的AT命令集，微处理器可通过串口将数据转化成TCP/IP数据包进行发送[5]。

2.3 其他辅助模块选型

系统时钟芯片选用PCF8563，通过I2C总线与单片机相连，内部集成有振荡器电容片、内电源复位功能和掉电检测器，并配有电池，可以保证备份电源切换时数据不丢失。外部存储芯片使用低功耗串行E2PROM芯片AT24C1024W，通过I2C总线与STC15L2K60S2相连，用于保存控制程序、系统参数、电话号码，实现端口的掉电保护功能。

2.4 单片机RS485通讯技术

在工业控制等环境中，常会有电气噪声干扰传输线路，使用RS232总线通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误，而且传输距离短[6]。为了解决上述问题，本系统选用了RS485总线，可以有效增大生物洁净室压差信息检测系统的网络覆盖范围，增强了传感器网络的可扩充性。

RS485接口电路如图3所示，系统选用了低功耗MAX485芯片，为半双工模式。该芯片具有短路电流限制功能，并可以通过热关断电路将芯片输出设置为高阻状态，防止过度的功率损耗。同时接收器还具有失效保护特性，当输入为开路时可以确保逻辑高电平输出，并集成了有效的ESD保护措施。

为了更加可靠地保护RS485网络，确保系统安全，对接口电路使用了光电隔离的连接方式，在屏蔽双绞线输入端使用6.8 V稳压管进行钳位，用来保护MAX485芯片，避免RS485收发器被RS485总线在受外界干扰（雷击、浪涌）时产生的高压损坏。并通过在输入端加入LC滤波电路来提高电路的EMI性能，避免信号干扰。为提高RS485节点与网络的可靠性和RS485网络失效保护功能，在电路中接收端加入连接至A引脚的上拉电阻R7和连接至B引脚的下拉电阻R9，如图3所示，用于保证无连接的MAX485芯片处于空闲状态。另外，电路中光耦器件的速率将会影响RS485电路的通讯速率，本系统中的光电隔离器件选用了超高速光耦PS9614芯片，其传输速率可以达到10 Mb/s，可以完全满足传输速率要求。

图3 隔离式RS-485接收电路Fig.3 Isolated RS-485 receiver circuit

3 系统软件设计

3.1 通讯装置软件设计

通信装置主要实现GPRS数据传输、SMS短消息提醒、与PC机的无线数据传输等功能。首先是进行通信装置的初始化和模式选择：

1）GPRS模块初始化：IP、端口设置、用户端手机号码、短信中心号码初始化，GPRS网络初始化；

2）缓冲区初始化：MODBUS报文缓冲区初始化、SMS短消息缓冲区初始化、装置物理地址初始化；

3）模式选择：通信模式（GPRS数据传输、SMS短消息发送），配置模式（IP和端口配置模式、数据处理传输模式）等。

完成系统初始化后，单片机通过MAX485接口芯片读取485总线数据，并对数据进行解析将此数据与洁净室压差标准进行比对，再通过GPRS发送数据给工业以太网对应的路由器，若房间压差数据不符合规范，则模块通过SMS发送告警短消息给相关实验人员，具体工作流程如图4所示。

图4 通信装置程序流程图Fig.4 Flow chart of communication module program

其中GPRS数据传输和PC机进行数据传输遵循MODBUS协议，其协议格式如表1所示。数据域内容为数据点号（2Bytes）+数据长度（1Byte）+数据（变长）+时间戳（6Bytes：年低 2 位/月/日/时/分/秒），CRC校验域内容为CRC校验码高8位+CRC校验码低8位。

表1MODBUS协议格式Tab.1 Modbus communication agreement

3.2 网络异常情况处理

由于在工业环境下系统容易受到其他电力线路的强电磁干扰，采用GPRS网络和工业以太网的通信过程中会出现丢包的现象，所以在通讯装置与上位机的通讯过程中采用了通讯冗余的机制。同时，为了增加通信的可靠性，保证GPRS网络实时在线，系统使用GPRS模块提供的“心跳包”功能，每隔一段时间向监测中心服务器发送一个TCP数据包，以确保网络连接不断线。若配网通讯装置在90 s内没有接收到“心跳包”，说明网络已经出现异常。网络异常发生30 s后，配网通讯装置能够自动断开GPRS网络并重新连接GPRS网络，若重新连接网络失败则说明模块可能出现问题，此时应重启模块恢复连接。

3.3 上位机软件设计

上位机使用FameView组态软件实现数据监测与PLC控制系统的结合，FameView软件集数据采集、过程监控和数据管理于一体，它使用结构化组态，运行稳定，通讯及运行速度快。而且FameView具有自主的S7TCP和S7COM通讯驱动，可以直接使用计算机中的普通网卡实现和工业以太网通讯，设置简单易于实现。现场运行情况如图5所示。

图5 上位机部分现场监控界面Fig.5 PC monitoring interface

4结语

经过现场的安装与运行，监测系统能有效实现生物洁净室压差实时监测，系统具有数据传输可靠、组网灵活、网络覆盖范围广、可扩充性强、投资少、维护简便等特点。并且在洁净室压差不满足设计规范时能及时通过发送短消息通知相关实验室人员，使得实验员能够做出及时有效的应对措施，预防可能产生的危害。随着中国GMP标准的公布实施，愈来愈多的依赖于在净化区域内生产和装配自己产品的企业，对生产工艺洁净的生产环境提出了更高的要求，以确保关乎产品成品率和产品质量可靠性的必备条件，在制药厂、医院乃至实验室等对于环境要求较为严格的场所，更是对洁净的室内环境提出了极高的要求[2]。因此，房间静态压差梯度作为保证安全防护屏障的关键指标，其实时监测系统将具有广阔的应用前景。

[1]刘昊.浅析生物实验室安全管理及其重要性[J].城市建设理论研究，2014（12）：26-29.

[2]朱江.房间压力控制解决方案讨论[J].工程建设与设计，2011（7）：94-97.

[3]杜世元.洁净室压力控制研究[D].上海：同济大学，2007.

[4]马锐，陈光建，贾金玲，等.基于Zigbee和GPRS的多参数水质监测系统设计[J].自动化与仪表，2014，29（10）：33-36.

[5]吴芳，刘亚利，马昌喜.基于GPRS的危险货物仓储环境实时监测系统[J].北京理工大学学报，2013，33（8）：806-810.

[6]蒋政宏.基于RS-485总线的水轮机温度监测系统[J].电力自动化设备，2011，31（5）：130-133.