基于边—云协同技术的智能疫苗冷链系统架构研究

王靖宇 （湖南信息学院 计算机科学与工程学院，湖南 长沙 410151）

0 引言

疫苗是当前帮助我国早期预防和有效控制人类传染病的重要技术手段和有效武器，疫苗安全关系公众健康、卫生事业发展和社会稳定。国家高度重视疫苗管理，要求用“四个最严”加强疫苗监管。自我国制定免疫计划策略以来，在预防各种重大疾病、保护人民群众的健康等方面都起到了很大的促进作用。但是近年来问题疫苗事件时有发生，2018年长春长生公司问题疫苗案件。疫苗接种安全成为党和政府以及人民群众高度关注的公共卫生安全问题。疫苗的存储条件要求非常高，达不到存储要求，容易引发疫苗体中蛋白质的大量变性、病原菌和有害微生物的大量灭活、多糖的大量降解，因此保证疫苗流通环节存储条件满足要求是疫苗工作的重要环节。

2019年6月29日《中华人民共和国疫苗管理法》出台，第四章第三十六条指出，“疾病预防控制机构自行配送疫苗应当具备疫苗冷链储存、运输条件”。第十章第八十五条、八十六条明确了组织机构及相关责任人的法律责任，国家一系列法律管理规定都给疫苗冷链运输市场的蓬勃发展带来了机遇和挑战。

根据目前国内外研究现状，目前在疫苗冷链方面有以下几个特征：

（1）缺乏相关的专业人才。如果想要真正的让疫苗冷链物流运行良好，不仅需要掌握整个疫苗冷链物流方面的人才，而且还需要这些人才能够掌握整个疫苗产品的专业技术及基础知识。同时也需要他们熟悉各种国家的法律法规对于疫苗的专门监管及其要求。这几个原因叠加在一起，也就造成了我国在疫苗冷链方面的人才缺口较大。需要一个更加便捷、操作更简单的系统来降低对于疫苗管理人员的要求，使普通人也可以从事疫苗冷链的相关工作。

（2）目前国内的疫苗冷链物流具有“数量少、次数多、地区广”的三大特点，这无疑也为目前疫苗的这种冷链仓储物流行业发展模式提出了新的行业技术和要求，在运输的过程中要根据运输疫苗种类的不同以及实时温度，来智能控制车内温度，使疫苗在运输中一直处于适宜的存储环境。现有冷链系统都是人为事先设定保存环境参数，由于不同疫苗，要求保存环境参数差异较大，人为设定容易出错，虽然也有一些系统试图用智能方法，通过查询网上数据库获取疫苗保存参数信息，由于疫苗很多用于受灾地区的使用，受灾地区多存在通信不方便，容易“断网”现象，运输过程中可能出现断网的情况导致数据无法实时上传，此情况会对疫苗存储信息有很大的影响。

（3）如果仅仅在疫苗运输冷链车内部保存部分信息，保存信息不全，更新滞后，造成对很多品种疫苗无法识别。因此需要实现本地数据库与云数据库联动，将常用热门疫苗信息保存在本地数据库，将海量疫苗信息保存在云数据库中，通过联动机制，实现本地数据库内容的更新，从而实时提供疫苗信息并且支持后期管理人员进行查询。

相比传统的疫苗冷链系统，本文采用物联网边—云协同技术，研究了一种新型智能疫苗运输系统，这种智能系统具有以下几个方面创新点：

（1）采用RFID技术，智能获取疫苗信息，并根据疫苗保管要求，智能调节疫苗冷链车保存环境参数，避免人为调节造成调节不及时和不确定性，从而大大降低了对疫苗冷链车运输人员素质要求，减轻了运输人员的工作量。

（2）采用增加存储功能的边缘网关的设计理念，增强系统实时性和可靠性，避免断网或网络延时过大造成疫苗保存条件无法实时更新，从而造成疫苗变质的风险。

（3）利用云平台实现更精确的疫苗保存条件分析，从而更精确的疫苗保存环境参数。

（4）远程控制，本系统支持利用手机和Web浏览器远程接入系统，查看疫苗冷链车上运输的疫苗信息，冷链车环境参数，以及对冷链车环境参数远程手动调节。

1 基于边—云协同的智能疫苗冷链系统架构

疫苗冷链系统是通过对疫苗种类和冷藏车里面的温度、光照强度等信息的收集，在查询数据库中查找到该疫苗保存环境参数要求，根据参数要求，控制空调和灯光的开关调节温度和光照强度。传统冷链系统受网络影响大，在网络不佳甚至断网的情况下无法进行数据更新，并且运输车内的空间环境依赖于人工调节，自动化程度低，疫苗安全问题很难保障。本次创新加入了边缘网关模块，在一定程度上脱离了云端的控制，可以自动的通过对车厢内环境的判断做出相应措施来保证车厢内的疫苗环境，边缘网关会将收集的数据存储到本地的数据库，利用存储中的“2~8”原则，边缘网关主要存储20%的常用疫苗信息，可以满足80%的应用场景需求，边缘网关内的本地存储系统在定时的通过网关内的通信子系统与云端数据库同步更新数据，保证本地存储疫苗信息的时效性。组网图如图1所示。

图1 系统组网图

疫苗冷链系统包括三个子系统：分别是智能节点（运输车）子系统，实现疫苗信息和冷链车环境参数采集与调节命令的执行；边缘网关子系统实现数据转换与数据通信功能，并具有边缘计算能力，提供本地服务器与本地数据库；云监控管理子系统实现基于云平台的用户管理、业务管理，并支持用户远程查看与控制。系统总体架构如图2所示。

图2 系统架构图

系统基本工作原理：

（1）当携带电子标签的疫苗通过读卡器时，双方进行数据交换后，得到疫苗信息，立即通过ZigBee通信传输模块将疫苗信息传输至网关；

（2）网关将相关信息送到本地服务器，服务器查询数据库模块中的疫苗储存条件，如果本地保存有该疫苗保存参数信息，则本地网关根据疫苗保存条件控制空调开关对车里面的温度进行控制；

（3）如果在本地数据库中查找不到该疫苗保存条件，上报云平台查询该疫苗保存条件；

（4）云平台接收到本地网关请求，在云数据库中查询该疫苗信息，并将该疫苗保存条件信息下发到本地数据库，本地数据库更新数据库内容，并根据新疫苗保存参数，对冷链车内环境参数进行调节。

系统运行总体业务流程如图3所示。

图3 系统业务流程图

2 总结

本系统具有以下技术创新：

（1）突破传统嵌入式系统上位机—下位机架构，采用新型的物联网端—边—云架构系统，智能节点采集传感器数据并将数据送到边缘网关，边缘网关不但具有传统网关的数据转换和数据通信功能，同时增加计算和存储能力；

（2）智能节点采用RFID智能感知疫苗保存条件和多种传感器采集冷链车环境参数，并根据边缘网关下发的指令，动态调节冷链车环境参数；

（3）具有计算和存储能力的边缘网关，即使在无法向云端传输数据的情况下依然利用本地数据库获取疫苗保存信息，实时智能调节冷藏车内环境参数，保证疫苗可靠存储；

（4）云—边协同，云数据库收集海量的疫苗信息，并通过云平台分析不同场景最佳保存参数条件，并根据冷链车参数、边缘网关存储能力，将常用和热门疫苗保存参数推送给边缘网关数据库，通过边缘网关的通信接口获取冷链车内环境参数，以便做大数据分析，从而更精确匹配疫苗保存环境要求。