基于IoT控制的便携式血液运输恒温箱

马子薇,李锡哲，宋 涛，徐晓辉

(河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401)

1 引言

传统的血液恒温箱主要有压缩机制冷-电热加温恒温箱和蓄冷型恒温箱两种。压缩机制冷-电热加温恒温箱由于采用传统的压缩机制冷，一般具有体积大、不易携带、有振动和噪声、对电源要求严格、温度波动范围大、不能卧放等缺陷。而蓄冷型恒温箱由于主要采用低温相变蓄冷材料蓄冷，温度难以准确控制、恒温时间有限。

传统的血液恒温箱可以满足日常医疗对于血液存储的需求，但在如地震、泥石流的突发事件面前往往束手无策。由于突发事件发生后环境因素的制约，需要一款轻便易携、温度范围容易控制、恒温时间较长、获取信息及时的血液运输箱。因此，通过半导体制冷技术将恒温箱体积减小，并引入了IoT技术、GPS/BDS系统、网页制作技术，使这款恒温箱具有了显示运输信息、可远程监控的功能。

2 方案设计

基于IoT控制的便携式血液运输恒温箱，利用TEC1-12706半导体片进行制冷/制热、IoT技术实现远程监控、网页制作技术显示信息、GPS/BDS模块进行位置追踪、GPRS传输芯片进行数据传输、STM32F103嵌入式系统实现数据处理、锂电池辅以太阳能电池板进行供电。最终实现工作温度调节范围-18 ℃～24 ℃，温度控制精度达±0.5 ℃，降温及升温速率≥5.0 ℃/min。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

3 设计原理

3.1 半导体制冷

3.1.1 主要原理

半导体制冷技术，又名热电制冷技术，其主要原理是帕尔贴效应。对于PN结来说，帕尔贴效应指的是直流电流过导致在结点产生吸热或放热的现象。如图2所示，利用三片金属板和由PN结构成的电偶臂组成热电偶，通以由N流向P的电流，其中两片金属板放热，另外一片金属板吸热。将半导体制冷片吸热的一端朝向恒温箱内部，放热的一端与散热片相连，通过控制电流流向实现制冷与炙热的调节，控制电流强弱控制温度改变的速率。

图2 帕尔贴效应原理

3.1.2 制冷片选取

由于制冷片制冷效率不高，如果要获得较好的制冷效果，可以从以下3个方面进行提升。

(1)提高冷热面的温差。即加大热端散热器的散热面积，提高散热风扇的气流量——加大功率，提高风速，加大叶片面积等，或者改用水冷方式也可以。

将制冷片的一面与散热片相连，同时采用水冷式换热类型，通入水进行降温。

(2)提高工作电压与电源功率。制冷片一般标准工作电压在12V左右，可以提升至15V。但是提升电压，会加大散热器负荷，散热效果变差，制冷片寿命减少。最终我们选择12V工作电压。

(3)采用更大型号的制冷片。制冷片尾数越大，电流越大，功率越大。但是单纯增大功率并不可取，应该留有余量，保证寿命与稳定性。

在半导体制冷片的选取上，通过比较TEC1-12703、TEC1-12706和TEC1-12708三种型号制冷片在最大温差、12V电压下工作电流和制冷功率，再结合经济效益、制冷要求，最后选择了TEC1-12706制冷片，并且采用六片制冷片叠加的方式，增加制冷效率(表1)。

表1 不同型号制冷片参数对比

3.1.3 制冷结果

保证12 V电压，环境温度保持在27 ℃左右，在10 min左右的时间，恒温箱内温度下降到18 ℃。

3.2 物联网技术

物联网(The Internet of Things,简称IoT)，即物物相联的互联网，是在互联网的基础上将客户端延伸和拓展到了物品和物品之间而进行信息的感知、传递和处理的技术。本项目利用物联网技术实现对血液运输恒温箱的科学化管理，达到优化资源配置、降低生产管理成本的目的。

通过对箱内温度、箱体位置进行实时监控，从而获取血液状态、急救地点的实时信息。这些数据通过网页直观明了地显示出来，便于医护人员对血液运输、应急救援的远程监控。可以在医院实时观察运输或救援过程中恒温箱的DS18B20传感器采集的温度信息和BDS/GPS采集的位置信息。这使血液运输恒温箱的状态不再只是被携带的医护人员感知、改变。

3.3 温度控制算法设计

3.3.1 常规PID控制与计算机实现

为了实现对温度控制的准确性和有效性，本恒温箱采用了PID控制算法。PID控制算法在工业控制领域具有接受度高、应用广泛、性能稳定、操作容易的特点。PID控制有三个基本要求：比例(proportional)、积分(integral)和微分(derivative)。

在本设计中实现PID控制的原理如下：先设定一个温度值，并将温度传感器PT100采集到的箱内温度信息设为c(t)。再将给定值与实际值相减得到控制偏差e(t),即e(t)=r(t)-c(t)。然后对偏差进行比例、积分和微分的线性组合运算，得到控制量u(t)，将其输入到受控对象进行控制。其连续公式为：

(1)

式(1)中：KP是比例系数，TI是积分时间常数，TD是微分时间常数。

然而由于模拟PID控制器的输入输出均为模拟量，当使用计算机实现PID控制算法时则要求输入输出均为数字量。此时可以通过离散化的方法将其转化为差分方程：

(2)

式(2)中：T为采样周期，k为采样序号，u(k)为第k次采样时计算机的输出值，e(k)为第k次采样时输入的偏差值。

此时将一阶微分用一阶差分替代，将积分用累加和替代。

再将差分方程进行Z变换，最终得到：

(3)

图3 PID控制原理

3.3.2 模糊PID控制

虽然常规PID控制原理简洁且具有较好的鲁棒性，但是对于系统模型参数要求较高。在面对具有如延时、滞后、非线性等复杂特性的受控对象时，系统的控制性能明显下降。显然，对于温度精确度要求较高的恒温箱来说，常规PID技术不能满足控制方面的需求。由此引入较为较为先进的控制算法——模糊PID控制。

模糊PID控制在传统的PID控制基础上加入了模糊推理机制，因而对受控对象的时滞性、非线性具有较强的适应能力，提高了系统的控制性能，保证了系统的稳定性。

基于本恒温箱的温度控制需求，引入温度误差e和温度误差变化率ec，将温度误差和温度误差变化率通过给定的模糊控制规则进行模糊推理，从而实现对原来的比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD的调整，能较好地适应外界环境的变化。

3.4 硬件系统设计

本系统硬件模块主要由电源模块、传感器模块、数据传输模块、控制模块、制冷制热模块、外部输入模块及显示模块组成。以STM32F103作为处理器，通过DS18B20和PT100组成的传感器模块传输温度，采用GPRS通讯模块的SIM900A进行数据传输，最终将信息显示在LCD液晶屏上。

3.4.1 电源模块

电源模块由两部分组成——直交流转换装置和太阳能电池板。

直交流转换装置。将220 V，50 Hz的市电通过降压、整流、滤波、稳压电路转换为12 V的直流电，最终通过锂电池存储电能从而给恒温箱供电。

太阳能电池板。由于本恒温箱主要应用于突发事件中的血液运输，所以周围环境条件相对比较恶劣，仅仅依靠USB接口和锂电池组恐怕难以长时间维持恒温箱的正常工作，而太阳能电池板正好弥补了这一缺陷。采用单晶硅太阳能电池板，通常情况下光电转换效率为18%左右，在所有种类太阳能电池中转换效率最高。此外，单晶硅太阳能电池板还具有坚固耐用、绿色环保、易于携带等优点(表2)。

表2 单晶硅太阳能电池板参数

3.4.2 传感器模块

采用单总线数字温度传感器DS18B20。DS18B20温度传感器集温度测量和A/D转换于一体，可以直接输出数字量，工作电压范围为3～5.5 V测量范围为-55～+125 ℃，通过内部编程可以实现9/10/11/12位四中温度检测分辨率。其与单片机组成的硬件电路结构较为简单，成本较低(表3)。

表3 DS18B20数据输出与对应温度值

3.4.3 数据传输模块

数据传输模块主要由单片机和GPRS通讯模块构成。单片机采用STM32，进行主控；GPRS通讯模块采用SIM900A模块，通过接收主站指令、根据主站指令返回相关信息实现远程通讯。

由SIMCOM公司出品的SIM900A模块，工作频段为双频900/1800 MHz，可以低功耗实现数据的传输；支持5～24 V工作范围，方便与产品连接；采用SMT封装，易于生产加工；TTL电平串口自适应兼容3.3 V和5 V单片机，可以直接连接STM32单片机；待机模式电流18 mA左右，休眠状态可设置在2 mA左右的低功耗。

3.4.4 控制模块

控制模块由STM32F103 微控制器及其最小系统组成，是一款32位的单片机芯片。具有72 MHz较高速率的晶振，内嵌4～MHz高速晶体振荡器；FLASH的存储量高达256KB，CPU能以0等待周期访问；拥有7个定时器，其中16位定时器有3个；电源电压在2.0～3.6 V间；拥有80个快速多功能双向5 V兼容I/O口；通信端口多达9个。

通过STM32F103 微控制器不仅可以在上电后控制各个模块开始工作，还可以判断采集到的数据信息，从而对相应的控制电路做出反应。

3.4.5 外部输入及显示模块

外部输入模块即键盘，使医护人员可以直接对巡夜运输箱进行设置和操作。键盘的每个按键信号与STM32的PA口连接，将按下按键、弹起按键与电容的充放电结合在一起，从而控制电平的高低，实现对相应功能的控制。

显示模块包含LCD液晶显示屏及相应模块，可以将采集到的数据信息以数字形式显示出来。数据信息主要包括各个模块的工作状态——DS18B20、ATCM332D、SIM900A，以及箱体位置信息——经纬度，内外部温度信息和控制模式。主要利用具有图形点阵功能的HS12864显示器，将其与STM32的PB口相连进行数据交流。

4 外观设计

共设计了两种便携式血液运输恒温箱，第一代恒温箱箱体由EPP发泡板构成。EPP又称聚丙烯发泡树脂，与其他保温材料不同，具有高隔热性能、高强度、高回弹性、耐冲击、不易破损等优良性能。其质量小，便于携带，在紧急救援过程中，发挥着更加优越的作用。箱体外部尺寸为395 mm×275 mm×310 mm(图4)。

图4 第一代恒温箱实物

第二代恒温箱为铝皮材质，周边直角全铝合金架，具有铁包角，高密度多层铝膜板材。采用铝制外壳使恒温箱不仅具有结构坚固、外形美观的特点，而且有利于制冷片的良好散热，可以有效提高制冷片的工作效率。箱体外部尺寸为420 mm×300 mm×240 mm(图5)。

箱体表面以白色为基本颜色，正面采用手捧血滴的红色图案，作为血液运输的标志；人性化设计的提手，内里弧度使得使用者在提箱时受到的阻力更小；高品质压铸工艺生产的安全锁扣，不掉色、强度大、安全、不生锈、更耐用。加固的对称合页设计符合使用的需要，合页四角用铆钉来加以固定使箱子牢固、支撑性好、安全；箱子底部采用4个圆柱形底座的设计，使箱子更加平稳，平时还能有效防止箱底磨损。

图5 第二代恒温箱实物

5 结语

本设计针对现有血液运输恒温箱种类和功能以及血液运输市场，主要应用于突发事件后保障血液的运输。产品具有特定的使用范围、专业性强，通过低压直流电/锂电池组供电，使产品能够在高复杂、恶劣环境下正常工作，具有高可靠性与便携性；基于TEC原理，采用半导体制冷片，使产品启动时间短，温度控制精密，能够迅速进入工作状态；在恒温箱的控制系统中引入IoT技术，使恒温箱的各项数据能够通过网络上传至服务器，并通过网页直观的显示出来；在恒温箱上安装BDS、GPS系统，通过实时位置追踪，优化运输与配送效率；搭建服务器处理恒温箱发送到服务器端数据，并在PhP环境中通过HTML及MYSQL技术制作网页及相应数据库，将相关信息直观明了地展现出来。