具有物联网功能的医用恒温反应箱的研制

刘卓夫　张金峰　王琳　罗中明　刘雪　赵虹　钱雨

摘要：介绍了一种具有物联网功能的医用恒温反应箱，该系统包括：触摸屏人机接口、温度传感器、加热/制冷片、循环泵和WiFi接口，该系统能够对箱内温度实现自动控制和调节、实时故障报警及无线数据传送，通过构建无线网络，实现了智能手机对该控制系统的远程实时监控，在进行测试前，对温度传感器进行了标定实验，然后，进行12次重复实验，每次实验，连续运行48h，并将历史数据存贮在触控屏和智能手机的存储卡中，实验结果表明：箱内温度可以稳定在设置温度，系统分辨率±0.3℃。

关键词：恒温反应箱；无线网络；物联网；智能手机；数据传输

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.008

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2016）06-0039-05

0.引言

医学样本采集后的培养与观察，需要保证与人体体内环境一致；活体组织和血液的低温处理，则需要相应的低温保存箱，因此，医用恒温系统的开发和研制具有重要的意义和市场价值。

温度控制技术发展大约经历了3个阶段：①开关控制；②PID控制；③智能控制，随着各种控制方法的深入研究，逐渐出现了3种方法相结合的控制方式，这种控制方式充分利用了各种控制方法的优势，达到了最佳的控制效果，其中，1976年，P.J.King和Mamdani等人合作，利用模糊算法对反应器成功实现了温度控制，这是人类首次采用模糊控制实现温度控制。

国内市场上供应的恒温控制箱主要有3类，第一类是普通的恒温水浴，第二类是结构较复杂的超级恒温水浴箱，第三类是利用半导体器件实现制冷和制热的恒温箱，虽然目前市场上出现各种类型的医用恒温控制系统，但共同的缺点是只能够独立工作，无法实现系统组网和远程控制，从而导致人力和财力的浪费。

针对这一缺陷，本文采用无线通信技术和Mod-Bus总线协相结合，构建了具有实时曲线现实、历史数据存储、自动报警和远程无线监控功能的医用恒温反应箱系统。在设计过程中，现场总线协议选用MODBUS-RTU标准，无线传输采用TCP/IP方式，从而保证数据传输的可靠性，通过对储存的实验数据进行分析，系统分辨率在±0.3°C。

1.系统硬件设计

本文介绍的医用恒温反应箱系统采用STC单片机为主控制器，通过温度传感器测得反应箱内温度，再将温度信号送入主控制器，由主控器进行信息对比并控制调温系统来完成温度控制，同时通过无线WiFi模块将温度信息发送至智能手机，从而实现物联网平台下的远程监控，并为多机组网奠定基础。当实测温度不符合设定的温度范围时，将发出报警信号，同时单片机将启动加热或制冷单元，以实现恒温控制，系统主要包括：触屏主控面板、温度传感器、加热片、制冷片、循环泵.触控屏和智能手机上可以实时显示出温度数据和历史曲线，并自动将历史数据进行存储。

1.1采集系统设计

下位机系统中，选用STCl5F2K60$2作为中央处理单元，4路数字式温度传感器分别接在单片机的P0[0：3]口，WiFi模块与其P1[0：1]口连接，控制制冷或加热功能的继电器与P0[4：5]连接，触摸屏端口与P3[0：1]连接（如图l所示）。

2.系统软件设计

本系统的软件设计部分主要包括三部分，分别是单片机控制系统的软件设计，触摸屏的软件设计，和基于Android平台的手机监控软件设计，在控制部分，主要有系统的温度测量与数据处理，系统的加热和制冷，以及水浴循环控制；触摸屏部分主要应用组态设计嵌入式程序，实现实时显示和历史数据的存储；手机监控部分包括：无线传输协议和远程监控功能。

2.1控制系统的软件设计

系统的控制部分主要包括：系统的加热、制冷、水浴循环及数据发送.其软件设计流程如图2所示。

这一系列操作都是在单片机的控制之下完成的，无需工作人员手动干预，为了避免温度控制中的过冲和欠冲现象，在加热和制冷控制时，采用了分级控制算法。

2.2触摸屏模块

触摸屏采用嵌入式组态软件编写程序，应用到的协议是MODBUS总线协议，控制器通信使用主一从技术，即仅一台设备（主设备）能初始化传输（查询），其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应.触摸屏程序设计流程如图3所示。

作为一种应用广泛的工业总线协议，大多数的控制设备和仪表可以通过MODBUS协议进行数据信息的传输.因为MODBUS协议具有完全公开透明性，这使它成为一通用的工业标准，广泛的应用于工业控制领域里，MODBUS协议的格式分为RTU模式和ASCII模式，本项目采用的是RTU模式，按照协议中规定的操作时序，消息发送至少要以

3.5个字符时间的停顿间隔开始.在最近一个传输字符之后，至少3.5个字符时间的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始，整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在帧完成之前两个字符问有超过1.5个字符时间的停顿时间，认为帧错误，停止接收，清缓冲，直到通信主循环中，清错误标志，重新启动接收，从机地址作为命令的帧第一段数据，是声明主机命令指向的信息，主机通过地址码能够找到目标机从而对目标机进行操作。主机对目标机的具体操作由从机地址后的功能码做出解释。

2.3手机模块

智能手机客户端的数据来源是下位机，传输的手段采用的是TCP/IP通信协议，通过无线路由器构成硬件连接的链路，使得信息准确无误的由下位机传输到手机上，本部分的软件设计应用的语言是Java高级语言，应用的开发软件是Eclipse 4.0，图4为智能手机程序流程图。

3.传感器校正

利用ESPEC公司温湿度复合环境试验箱PVS一3KP对该系统性能进行了测试，旨标定传感器DSl8820的误差，并对其校正.对测量温度的标定曲线如图5，其中温度测试范围为10°C～50°C。

進行温度精度测试时，试验箱PVS-3KP每隔5℃设置一个测量点（湿度值设定为相对湿度值55%），分别按照递增（5℃～50°C）、递减（50°C～5℃）的顺序进行两组测量，并记录被测试系统的温度数据.从图5中可以看出，传感器测试结果与试验箱的温度偏差为±0.2°C，可以满足实际需要，而且所选用的4个传感器具有很好的一致性，从而保证后续测量的可靠性。

4.实验结果及分析

将4个温度传感器探头均匀分布在恒温箱中，操控触控屏将恒温温度调节到37°C（模拟人体体温），启动设备，连续工作48小时，重复12次相同的实验，通过，智能手机和触摸屏的存储卡记录数据，并进行分析。

对比智能手机和触摸屏存储的历史数据（图6），可以看出，二者温度平均值为36.7°C，具有一致性，这就证明了系统的稳定性和无线传输的可靠性，其中的波动，是由于当温度低于36.6°C时加热片工作，高于37°C时制冷片工作所造成的，温度位于36.6～C～37～C之间时保持。

通过统计分析（图7），可以看出所有12次的数据都能够满足要求，温度偏差±0.3°C。

5.结论

本文介绍了由单片机和温度传感器、加热和制冷模块，以及液晶显示模块和无线WiFi模块组成的医用恒温反应箱，该系统具有实时显示和历史数据自动存储等优点，可应用于医用生物试剂的保存和培养，该系统硬件系统集成度高，体积小，运行可靠，另外，该系统的一个显著优点是能够实现数据的无线传输和多机组网，从而为医疗设备的物联网构建奠定了基础。