基于物联网云平台的医用冰箱温湿度监测系统的设计与应用

孙少平，周云波，李元峻，张俊

1. 云南省玉溪市人民医院，云南 玉溪 653100；2. 玉溪师范学院，云南 玉溪 653100

引言

医用冰箱是医疗机构最常用的设备之一，主要用于临床标本、检验试剂及血液制品的存储，它的储存条件是医院临床检验质量及临床安全用血最基本的保障[1]。医用冰箱内部温度过高或过低直接影响所存物品的安全性和有效性[2-3]。按照原国家食品药品监督管理总局颁布实施的相关规定，存储临床标本、检验试剂及血液制品的冰箱和冷库都必须配有有效的监测设备，需对存储环境进行24 h不间断监测[4]。

目前，玉溪市人民医院已有三十多台医用冰箱，主要集中在检验科、输血科、核医学科和医学工程科。我院医用冰箱的温湿度监测还是采用传统的温湿度计监测，监测的数据无连续性，经常会存在缺失，记录时间间隔长，不易及时发现异常情况，不能达到监测效果[5]。由于我院医用冰箱数量较多、分布较为分散，难以实现集中化，已有的医用冰箱还没有形成统一的温湿度监测网络系统。库房管理人员还需每天查看冰箱温湿度并填写记录表，费时费力且较为烦琐，如何让有限的人员在面对数十台处于工作状态的医用冰箱时，能集中有效的远程监控内部温湿度情况，掌握箱内储存条件变化并在出现报警时快速做出反应，已经成为亟待解决的问题[6-7]。

传统的温湿度监测系统主要采用有线的总线式布线方式，这种方式虽然稳定性较高，但是随着监测点的增多，地理位置的分散，各种电缆分布比较繁多，线缆损坏时维护起来不方便；同时大多功能简单，智能化程度低[8]。无法满足大规模使用的医用冰箱的实时和集中监测需求。

随着计算机技术、无线通信技术和传感器网络技术的不断发展和完善，给人们的生产和生活各个领域带来深远的影响[9-10]。利用物联网、无线传感技术和云技术，设计出一套医用冰箱温湿度集中监测系统，实现24 h实时采集、监测箱内温湿度数据并跟踪管理，满足医用冰箱温湿度远程无线监测的各项要求，具有较高的应用价值和推广意义[11-12]。

1 系统总体结构设计

本系统从结构上分为两部分，第一部分为前端采集接收模块；第二部分为后端监测系统。前端采集部分由微处理器、温湿度传感器、无线收发模块组成，其作用是采集医用冰箱和冷库各测量点的温湿度数据，并将这些数据周期性的通过无线传感网络传输到接收主机；接收主机由物联网关组成，网关集中器通过以太网连接，将接收的数据以TCP/IP协议汇集到监测系统云平台服务器进行数据交互，实现远程监测。后端监测系统主要实现采集数据的汇总，显示、查询、存储、分析和报警。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 硬件设计

2.1 温湿度传感器

常用的温湿度监测方法有常规温湿度计、红外测温仪、光纤测温等。这些测温方法要么需要人工测量，要么造价较高，要么智能化低。无线温湿度传感器测量具有实时性强、性价比高、智能化管理、方便安装等优点。

本文选用维恩公司生产的NT59无线温湿度传感器测量医用冰箱内部温湿度数据，该传感器可周期性采集医用冰箱温湿度并以无线方式将数据传送给ET59物联网关接收器。无线温湿度传感器由微处理器、温湿度采集模块、无线收发模块、电源等封装组成。其中微处理器模块采用高性能、低功耗的8位AVR系列微处理器ATmega16L[13]，处理器与无线收发模块通过SPI接口进行通讯，对采集到的温湿度数字信号进行处理，再将处理过的数据发送给其他模块。微处理器作为控制装置，主要负责中心运算和控制，协调各个子模块之间的工作[14]。

（1）温湿度采集模块采用瑞士Sensirion公司生产的sht30集成式数字温湿度传感器，该传感器测温范围为 -40℃ ～+85℃，测量精度为：±0.5℃（0～60℃），±1℃（其他温度范围），湿度测量精度：±3% RH（10%～90% RH）。

（2）无线收发模块采用AMICCOM笙科电子公司推出的A7139芯片，该射频芯片为AMICCOM第五代高效能晶片，工作频率支持 1 GHz（300～950 MHz）以下免授权的ISM Band应用。微处理器只需SPI协议即可驱动A7139芯片进行无线收发数据，单次数据包最大支持64字节。A7139芯片相比于以往的NRF24L01NRF905CC1101CC1020SI4432芯片，该模块同时拥有超低接收电流与优质的通讯距离这两大显著特性[15]。无线通信往往需要电池供电，所以功耗指标就显得尤为突出，模块结合A7139芯片的无线唤醒功能，大大延长电池的使用寿命[16]。

（3）无线湿度传感器模块内部采用普通3号电池（3.6 V）供电，电池在上传周期设置为5 min条件下可使用5年，无须频繁更换[17]，满足本院医用冰箱的温湿度监测需求。此温湿度传感器通过设置不同的射频参数实现多组共测，与物联网进行通信，同时传感器在正常模式下可设定参数周期性传输温湿度数据；在设置模式下可修改上传周期、ID、频率、功率等参数。

2.2 无线通信硬件实现

作为无线传感器网络的核心，物联网关有自动组网、支持远距离无线通信，并将网络中的各个节点进行编排的能力；可同时对多个传感器节点进行同步采样，并将数据进行汇总。

本文采用维恩科技生产的ET59-以太网（局域网）通讯网关，通过HTTP网络协议与本研究设计的医用冰箱温湿度监测系统进行无缝对接，实现采集数据的实时交互。所有传感器采集的数据都要汇集到网关中，单个网关可接收30路温湿度数据，多个网关可扩展成N×30测温系统。网关设置的射频参数需与温湿度传感器内部参数一致，才可实现数据同步交互，同时通过设置网关服务器参数，将该网关与可访问互联网的路由器相连，利用以太网或局域网将无线温湿度传感器的数据信息汇集到云平台进行存储。该物联网关最大的优点在于可以实现最大范围的节点信息汇聚，并实现远程监测，更灵活，更便捷，可随时随地掌握数据信息。

3 软件设计

3.1 系统平台建设

医用冰箱温湿度监测系统采用B/S模式构建，开发语言为Java语言，系统依托IntelliJ IDEA平台开发。系统结构采用：显示层、表示层、业务层、持久层和数据访问层等多层分布式体系。其中使用Spring MVC作为后端与前端进行对接的基础架构。利用Spring Data框架与数据库进行持久化管理提供支持。运用Spring进行业务逻辑的处理以及对Spring MVC和Spring Data进行调配管理。数据库部分主要采用Oracle 11g进行系统中数据的存储与管理。系统平台建设结构如图2所示。

图2 系统平台建设结构

3.2 系统功能模块

医用冰箱温湿度监测系统主要是对各个分散的医用冰箱进行温湿度监测。该系统包括首页、系统管理、设备管理、历史数据等主要功能模块。系统功能模块如图3所示。

图3 系统功能

（1）系统首页：主要显示各医用冰箱的温湿度情况，当某一冰箱的温度和湿度超过设定值2℃～8℃时，系统会自动报警，并在主界面滚动显示异常医用冰箱的编号、位置和当前的温湿度值，提醒库房管理人员及时查看、处理。

（2）系统管理：主要功能是通过设置不同的账号权限，进入系统界面所显示的信息不同，从而实现分级管理。

（3）设备管理：主要实现医用冰箱和传感器基本信息的录入、性能状态和使用记录的查询以及温度和湿度报警值的设置。

（4）历史数据：主要功能是实现对医用冰箱不同时间段的温湿度监测数据和报警记录的查询和统计，同时实现对温湿度监测数据趋势图的可视化。

4 系统运行及应用

本文基于物联网云平台设计了一套医用冰箱温湿度监测系统，该系统可对各个医用冰箱的温湿度的数据进行采集并实现集中动态监测管理，同时可对异常数据进行报警。本研究选取10台不同区域的医用冰箱进行监测。系统运行结果表明：本系统采集信号稳定、传输距离远，监测数据准确，监测效果良好。

4.1 系统主界面

医用冰箱温湿度监测系统首页如图4所示，系统显示每台在线医用冰箱的实时状态和报警信息，同时屏幕滚动提示异常温湿度医用冰箱所在位置和当前温湿度。

图4 系统首页

4.2 医用冰箱监测信息

所有医用冰箱的温湿度数据监测信息如图5所示，温湿度数据可通过历史数据中的监测信息菜单进行查询，也可根据实际需求进行自定义查询，可查询单个或多个冰箱某一时间段的数据。

图5 医用冰箱监测信息

4.3 医用冰箱监测数据图

单个和多个医用冰箱监测数据图如图6、7所示，系统可对任意时间点和时间段的医用冰箱的温湿度数据图进行显示和查询。

图6 单个医用冰箱监测数据图

图7 多个医用冰箱监测数据图

4.4 应用实例

本系统应用于玉溪市人民医院门急诊检验科、医学工程科仓库，共对9个普通医用冰箱和1个超低温冰箱进行实时监测，黑色盒子为无线温湿度传感器（图8）。

图8 应用实例

5 总结与展望

本文利用物联网技术、无线网络技术和云技术研究设计的医用冰箱温湿度监测系统对我院医用冰箱内部温湿度数据连续24 h实时采集和记录，并自动生成记录报表和曲线，同时将异常温湿度报警信息通过微信公众号消息推送的方式及时推送给管理人员，便于用户观测并及时做出响应。该系统不但实时有效、可扩展性好，而且具有较高的稳定性和可靠性，适用于其他需要进行温湿度监测的场合。系统的上线运行实现了医用冰箱存储物品环境的全程管理，提高了临床标本、检验试剂及血液制品等的管理水平，减少因环境变化产生的损坏，降低了医疗风险；也为库房管理人员日常的巡检提供了方便，提高了工作效率；为设备的故障诊断、维护保养提供了参考信息，监测所得的温湿度数据与冰箱内部温湿度计进行比对，实现对各品牌医用冰箱的性能监测和评估，及时发现设备安全隐患，为医用冰箱的规范化管理提供时间、行为、位点的有力支撑。该系统现有报警方式还不够完善，下一步根据各监测点的实际情况，增加无线声光报警接收装置，进一步完善系统的报警功能，提高系统的安全性和可靠性。同时系统监测的范围较窄，下一步根据系统运行情况，将存放药品和疫苗的医用冰箱并入该系统，进一步扩大系统监测范围，提高管理水平。