基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

环境试验设备是模拟自然气候环境的重要设备，包括高低温试验箱、恒温恒湿箱、培养箱、冰箱、药品保存箱等。环境试验设备的温湿度校准是判断环境试验设备是否处于正常工作状态的重要保障。为确保环境试验设备检测数据准确可靠，校准需在设备运行稳定后进行，整个检测过程用时1.5～2 h左右。为保证设备工作环境稳定，检测过程中不能开合箱门。因而在工作时间内对医疗单位的环境试验设备（如培养箱、干燥箱等）的检测，将严重影响到医疗检验机构的正常运营，越来越多的客户提出了夜间等非工作时间对设备进行校准的要求[1，2]。随着上海科创中心的建设、医疗非强检设备校准工作的开展，环境试验设备的温湿度校准工作量逐年增加，具有数据自动记录分析功能的便携式环境试验设备远程温湿度校准系统亟待研发。

前期已开发环境试验设备远程温湿度传感器，装置采用ANT Wireless 通信技术，将温湿度传感器采集的数据通过无线通信网络传输至温湿度接收节点[3]。在此基础上，结合校准实际需求，自主开发基于ANT Wireless通信技术的数据通信协议，设计基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统。可对温湿度传感器采集到的数据进行分析处理，同时兼顾温湿度传感器远程控制管理的功能。Spring Boot属于Java平台的一种开源应用框架，集成大量的框架模块，确保兼容性的同时节省了大量开发时间[4-6]。系统兼顾主要校准规程、国家标准，可同时为20台以上环境试验设备进行远程温湿度检测校准。

1 软件

1.1 整体架构

基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统，具有远程温湿度数据信号接收功能、发送功能、数据分析功能、数据处理功能及数据记录功能。系统与远程温湿度传感器间采用无线网络进行远程数据传输及控制。各温湿度传感器将采集到的温湿度数据通过无线网络传送至服务器主机，基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统读取服务器中存储的数据，并可进行实时观测、数据处理分析。通过系统，可以控制远程温湿度传感器的开关、测试间隔、测试时长，同时具有数据超范围报警功能，方便检测人员监督。环境试验设备远程温湿度校准系统是检测人员与远程温湿度传感器之间的桥梁，可同时控制300个远程温湿度传感器，同时为20台以上环境试验设备进行检测校准，可满足7×24 h不间断检测需求。根据不同的校准规范、国家标准，系统自动选择不同的测试数据及计算方法，对数据进行处理分析，得出校准、测试结果。如图1所示。

图1 温湿度检测平台构成

基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统将超文本标记语言（html）直接植入网页，通过网页界面直接登录访问，兼容计算机和手机的主浏览器登录，不占本地内存。软件采用Spring Boot框架结构，可以简化新Spring应用的初始搭建及开发过程。将通过监听串口收到的温湿度数据存入数据库，用户通过网页访问数据库，浏览、分析处理数据，如图2所示。基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统分为登录界面、数据概览界面、传感器监控界面、传感器配置界面四个界面。

图2 软件结构

1.2 登录界面

采用“用户名＋密码”方式登录，后台可根据需要设置用户组、验证密码，不设开源注册功能，确保系统运行安全。系统将自动记录每一名用户的登录情况，以备日后查阅。

1.3 数据概览界面

该界面是系统运行状态监控和系统设置的关键。检测工程师可以根据需要，选择启动的设备，系统最多可以支持接入300个远程温湿度传感器，并可根据需求进行分组，每组对应一个测试传感器组，该组内所有传感器作为一个系列，将数据汇总在一起，最终形成一份测试报告。选择设备后，可以通过列表看到该组设备所带有的节点（传感器）编号。

通过表格可以观测每个节点（传感器）的实时数据，可显示当前组内各传感器温度（湿度）的最大值和最小值。

页面还提供了校准各类环境试验设备所需的常见参数。

1）工作温度（湿度）：测量期间，该传感器温度（湿度）值的算术平均值。

2）温度（湿度）波动：测量期间，该传感器温度（湿度）值的最大值－最小值。

3）温度（湿度）差：同一时刻，各传感器温度（湿度）值的最大值－最小值。

选取设备后，检测工程师将根据不同设备对应的不同规程要求，选择“数据采样时间”（采样总时长）和“测量时间间隔”（每两次采样的时间间隔），点击“刷新传感器数据”，系统将开始记录数据。

各温湿度节点（传感器）将所有温湿度数据传入数据库，系统可根据检测工程师需求更改测量时间间隔和测试时长，系统将根据对应检定规程、校准规范、国家标准的要求重新计算温湿度差、工作温湿度、温湿度波动等数据，出具相应的报告。系统提供详细数据下载功能，可以输出TXT、Excel、SQL、XML等格式文本。

1.4 传感器监控界面

传感器监控界面可以监控每一个节点（传感器）的实时工作情况并以图表形式呈现。将数据读取间隔分为：5 s、30 s、60 s、300 s。数据读取间隔小于数据概览界面中的测量时间间隔，满足检测工程师观测各传感器实时温湿度的变化情况。记录开始后，页面会显示当前传感器数量以及数据读取间隔、每个传感器的当前温度、湿度数据。实时数据提供柱状图、折线图、列表等多种形式，满足不同用户的需求。系统有温湿度超范围报警功能，在配置页面设置相应的温湿度阈值后，当温湿度超过该阈值，对应的传感器的监控页面中的温湿度数据将高亮显示，方便远程观测温湿度变化、超范围等情况。

1.5 传感器配置界面

传感器配置界面用于各传感器的状态配置，可单独控制每个传感器的开关。通过列表查看各传感器的编号、当前状态、分组情况、高低温报警阈值、高低湿度报警阈值。点选“新增／修改传感器信息”按钮，可以对指定传感器信息进行配置，配置内容包括：传感器编号、预警温度下限值、预警温度上限值、预警湿度下限值、预警湿度上限值。

2 数据通信协议

数据通信是环境试验设备远程温湿度测试系统实现的基础，是校准数据高效、安全传输的基础。自主开发基于ANT Wireless通信技术的数据通信协议，通过Spring Boot框架的监听串口解析数据通信协议，实现无线传感器网络的组网功能。保证数据传输的高效性、安全性以及可靠性。通过网络对外发送信号，可以直接将数据发送至检测人员、客户的终端，实现检测人员与客户共享实时数据。实现检测人员远程无线监测的功能，满足偏远地区的现场检测要求，实现移动冷链运输车温湿度的实时检测校准，自动组网功能也避免了长距离布设热电偶的麻烦。

各传感器间采用Uart通信协议（通用异步收发传输器），将温湿度传感器采集到的数据，通过该协议发送到网络。采用串口通信方式，将需要传输的数据中的每个字符以串行方式一位接一位地传输，使用长度可变的数据包进行传输，确保数据传输过程中的安全可靠。系统带有确认传输功能，传输数据使用循环冗余校验码（CRC）校验，可以在信息码之后再拼接K位的校验码，形成整个编码数据包，最多可进行15次信息重传，确保数据传输的安全可靠[7]。

如图3所示，深色图标为Spring Boot框架的监听串口，浅色各点为温湿度传感器，各传感器通电后会自动组网，形成多跳网状网络，完全不需要进行设置、干预。传感器会自动通过网络选择最优的路径，将信息传输给监听串口。整个网络中，任何一个模块的故障并不会影响整个网络的运行，模块具有很好的抗毁性，传感器间可桥接组网，将某些远离监听串口的传感器信号通过其相邻的传感器传输过来，如图4所示。每个系统最多可以支持300个模块组成网络，足够满足日常的计量检测需求。可以通过传感器配置界面修改各传感器的地址、配置、开关、分组，并可以实时监控各传感器的工作状态。

本系统基于ANT Wireless通信技术的数据通信协议，相比传统Zigbee协议，无需学习复杂的Zigbee协议，直接使用图形化网络嗅探软件更为直观方便[8]。

图3 网络状态分析软件及自动组网图

图4 网络状态分析软件及自动组网图（传感器桥接）

3 创新点

环境试验设备远程温湿度校准系统采用ANT Wireless通信技术，通过Spring Boot框架的监听串口解析无线通信协议，替代原有有线采集温湿度数据形式。在检测环境试验设备时，无需长距离布设热电偶，直接将无线温湿度传感器安放于待测位置，提升检测效率、规范检测过程、确保检测质量，实现远程无线检测，满足动态环境下环境试验设备的检测需求。

采用MVC结构，将系统直接植入网页，兼容计算机和手机的主浏览器，通过Web界面直接访问系统，预留接入新LIMS系统的空间，将采集数据作为原始记录，可实现报告直接生成，降低数据错误概率。系统兼顾信号分析处理及记录功能，实现远程控制无线温湿度传感器的开关、测试间隔等情况。

测试过程中，各传感器将所有采集到的温湿度数据传入数据库。测试结束后，检测工程师可根据检定规程、校准规范、国家标准的不同要求，选取对应数据，形成测试报告。

4 结语

本文介绍基于Spring Boot框架结构的环境试验设备远程温湿度校准系统，基于ANT Wireless通信技术的数据通信协议，通过Spring Boot框架的监听串口解析数据通信协议，系统分为登录界面、数据概览界面、传感器监控界面、传感器配置界面。系统可根据不同的校准规范、国家标准，自动选择不同的测试数据及计算方法，对测得数据进行分析处理，得出测试结果。环境试验设备远程温湿度校准系统是远程温湿度传感器与检测工程师之间的桥梁。之后将进一步对系统进行整合改进，整合检测仪器、检测业务、检测实验室、检测标准、检测客户、检测专家等资源，为客户提供一站式检测服务平台，为“互联网＋计量”提供范例和推广方向。