基于阿里云的无线IOT在数字制药车间场景下的设计应用

蒋梦云　尚雨欣

关键词：CC2530；4G模块；ZigBee组网；制药车间

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）03-0085-03

0 引言

数字制药车间是一种新型制造车间，作为实现智能制药的关键环节，能够显著提高生产效率、降低生产成本，同时也能带来更高的生产质量和产品精度以及更高的生产安全性。数字车间通过融合互联网、云计算、大数据等前沿技术，实现生产设备信息的实时监测和追溯、智能化的生产调度以及生产过程的可视化管理等多种功能。此外，数字车间还可以通过人机协作等方式，优化生产工艺流程，提高生产效率和生产质量，从而最大化地实现生产资源的利用效益。在智能制造的趋势下，数字车间将会发挥更加重要的作用，为制药产业的发展注入新的动力[1]。

1 总体设计

在数字制药车间的无线IOT 设计中，通过选型和设计，最终选用了CC2530作为主控芯片。CC2530能够胜任各种复杂的物联网应用需求。同时，构建了两个节点，负责连接不同类型的传感器，这样一来，就能够更好地监测制药车间的各种数据。每个节点都有其独特的地址，这是为了区分不同的节点和传感器数据。节点能够将收集到的数据按照MQTT协议进行封装，然后发送给主控芯片[2]。

作为网络中的协调器（Coordinator） ，主控芯片负责管理网络中的各个节点，确保它们能够正常工作并接收存储来自节点发送过来的消息。当接收到消息后，主控芯片会通过串口将数据发送给终端设备，如PC或手机等。

终端设备通过串口与主控芯片进行通信，发送请求命令。主控芯片将会从存储器中提取相应的数据，然后发送给终端设备。终端设备将接收到的数据显示在Web端，用户可以通过Web界面查看和分析这些数据，从而更好地了解制药车间的运行情况，整体系统搭建如图1所示。

1.1 IoT 端设计

项目利用物联网技术（IOT） ，借助各类传感器，如温湿度传感器、气体传感器等，对车间和仓库内部环境状态进行实时监测，同时将收集的数据转换成数字信号。随后，利用无线网络模块，将数据封装成符合MQTT协议格式的消息，并发布至特定主题（Topic） 上。在阿里云IOT平台上，创建了一个物理类模型（ThingModel） ，详细定义了设备的属性、事件和服务，实现与设备的双向通信。当设备向阿里云IOT平台发布消息时，平台将根据物理类模型对消息进行解析，同时将数据存储至数据库，并可通过Web可视化开发工作台或API接口进行信息展示与处理[3]。

核心代码如下：

def process_data（data）：

# 调用人工智能模型捕捉监控数据

for d in data：

image_data = capture_image（）

image_data = preprocess_image（image_data）

predictions = model.predict（image_data）

predicted_class = np.argmax（predictions）

predicted_class_name = class_names[pre?dicted_class]

print（f"Predicted class： {predicted_class_name}"）

return

if __name__ == "__main__"：

thread = threading.Thread（target=publish_thread）

thread.start（）

while True：

# read sensor data

temperature = read_temperature（）

humidity = read_humidity（）

gas_level = read_gas（）

publish_data（temperature， humidity， gas_level）

time.sleep（5）

thread.join（）

1.2 Web 云端設计

项目基于阿里云提供的物联网应用开发工具—IOT Studio，利用其可视化应用开发、服务开发等功能，快速构建了一个适合物联网场景的Web页面模型。该模型可实时展示车间和仓库内的环境参数数据，并赋予相应的控制功能。在IOT Studio平台上，通过拖拽组件、配置属性、编写脚本等方式，在云端IDE 框架下进行可视化设计，无须关注底层技术细节，降低了开发难度和成本。同时，IOT Studio还支持与阿里云物联网平台、华为云IOT平台等其他物联网云服务进行集成和对接，实现数据流转和管理。

2 硬件模块实现

在硬件模块的设计环节，首要考虑的是各类传感器与执行器的选型及电路设计。为了满足数字制药车间的实际需求，可以选择包括温度、湿度、压力、液位等传感器以及如电磁阀、电机等各种执行器。而在电路设计上，需要细致考虑电源管理、信号处理以及接口设计等问题。

2.1 车间环境监测模块

车间模块通过部署温湿度传感器、土壤湿度传感器、MQ7等多个传感器，组成一个网络监测节点，用于实时采集车间的温度、湿度、水浸和CO浓度等环境参数。这些传感器具有较高的测量精度和稳定性，能够实现对药品生产环境的精确监测。

其中，土壤传感器利用土壤水分与土壤电导率之间的密切关系，即当土壤含水量增加时，土壤电导率也相应增加；反之则减小。不同类型的传感器还支持温度补偿、校准曲线等功能，进一步提高了测量精度和稳定性。

2.2 倉库环境监测模块

为确保药品保存环境的适宜性，构建了一个传感器网络节点，该节点集成了温湿度传感器、光敏传感器、火焰传感器等设备，可实时采集仓库的温度、湿度、光敏、火焰值等关键参数。这些传感器在组网节点中发挥着重要作用，提供了直观、实时的环境监测数据。

这些传感器节点通过组网连接，将监测数据传输到后台管理系统，实现对药品仓库环境的实时监控和预警。这种智能化的监测方式能够提高制药车间的生产效率和产品质量，确保药品的安全性和有效性。

3 软件模块实现

软件模块，以设计驱动软件为核心，介绍制药车间系统的软件模块。该软件系统主要分为两个模块：环境监测模块和安全防护模块。

3.1 环境监测模块

环境监测模块作为软件系统的核心之一，主要用于采集环境信息。它涵盖了温度、湿度、火焰等参数的检测，并将这些数据实时传输至计算机进行深入的数据处理及分析。这一模块不仅提供了对车间环境的实时监控，还为制药过程提供了必要的数据支持。

此模块主要用于车间及厂房的数据监测。它可以实时采集车间及厂房的各种数据，如温度、湿度、火焰等环境参数，以及机器设备的运行状态等信息，并将这些数据传输到计算机上进行处理和分析。这样可以帮助工作人员及时发现异常情况，提高生产效率。

3.2 安全防护模块

另一个模块是安全防护模块，它的主要功能是报警。当环境参数超出预设范围时，这一模块会自动触发报警机制，及时提醒工作人员进行处理，为制药车间的安全运行提供了有力保障。包含LED显示灯和蜂鸣器，显示灯模块主要用于LED灯的显示，当参数达到设定的阈值时，相应颜色的LED显示灯会亮。例如，当水浸超过设定的阈值时，黄色LED灯会亮；当火焰超过设定的阈值时，红色LED灯会亮。这样的设计方便工作人员及时发现环境异常情况，并采取相应的处理措施。对于蜂鸣器模块，当达到设定参数时，蜂鸣器会自动响应，以提醒工作人员进行维护。

4 Web 可视化模块实现

为了提升车间及仓库的安全性和效率，采用了物联网技术来收集和分析各种环境数据。通过Web可视化开发工作台，构建了一个简洁明了的操作和查看界面。这个界面主要分为两部分：数据监测部分和控制分析部分[4]。

4.1 数据监测部分

在此部分中，可以实时显示车间内的温度、湿度、火焰、水浸等参数，以及仓库内的温度、湿度、CO含量、光照度等参数。用户可以根据实际需求设置阈值和报警方式。一旦某些参数超过或低于预设阈值，系统将自动发送短信或邮件提醒用户，同时在界面上显示醒目的红色警示标志。通过将各个传感器所检测到的数据呈现于云端，并进行展示与对比，可以实时监控车间及仓库内的环境参数。这些传感器包括温湿度传感器、MQ7气体传感器以及光照度传感器等，它们通过无线网络将数据传输至云端服务器。

核心代码如下：

# Init SMS Client

sms_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_sms（phone_number， alarm_type）：

request = CommonRequest（）

request.set_method（'POST'）

request.set_domain（'dysmsapi.aliyuncs.com'）

request.set_version（'2017-05-25'）

request.set_action_name（'SendSms'）

request. add_query_param（'TemplateParam'， '{"type"："%s"}' % alarm_type）

response = sms_client.do_action_with_exception（re?quest）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Init AliCloud Voice Service

voice_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_voice（phone_number， alarm_type）：

request = SingleCallByTtsRequest. SingleCallByTt?sRequest（）

request.set_accept_format（'json'）

request.set_tts_code（''）

request.set_called_number（phone_number）

request. set_tts_param（'{"type"： "% s"}' % alarm_type）

response = voice_client. do_action_with_exception（request）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Get Device data from Iot

def get_latest_data（device_name）：

# Use SDK

return {"temperature"： 28， "humidity"： 50， "flame"：0， "water"： 0}

# 判断数据是否超过阈值，并发送报警信息

def check_alarm（data， threshold， phone_number，alarm_type）：

if data['temperature'] > threshold['temperature']：

print（"温度超过阈值，发送报警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['humidity'] > threshold['humidity']：

print（"湿度超过阈值，发送报警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['water'] > threshold['water']：

print（"水浸超过阈值，发送报警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

else：

print（"數据正常，不需要发送报警信息。"）

4.2 控制分析部分

控制界面部分则允许用户远程控制车间和仓库内的报警设备。用户可以根据实时数据或预设模式进行调整，从而优化车间及仓库的工作环境。不仅如此，用户还可以将不同时间段或不同位置的数据进行对比与统计，从而发现存在的问题并优化相应的方案。这样的方式，不仅提供了便捷的数据监测方式，也为企业提供了有效的决策依据[5]。

此外，为了让用户更好地了解外部天气情况，我们利用墨迹App提供的天气预报接口，在界面上显示当前位置和时间的天气状况、温度、风力、空气质量等信息。这一切的设计都是为了提高工作效率和安全性，为用户提供更便捷、更智能的工作环境，如图2 所示。

5 Mobile 页面实现

通过将各个传感器所检测到的数据呈现于云端，并进行展示与对比，可以实时监控车间及仓库内的环境参数。这些传感器包括温湿度传感器、MQ7气体传感器以及光照度传感器等，它们通过无线网络将数据传输至云端服务器。

在云端服务器上，运用Mobile可视化开发工作台构建了一个数据展示界面，使得用户可以轻松地查看并分析各个传感器所检测到的数据。还可以将不同时间段或不同位置的数据进行对比与统计，从而发现存在的问题并优化相应的方案。

6 钉钉端模块实现

钉钉端可以实时推送设备上下线、设备检测数据、阈值报警等多种消息，这种实时推送方式可以让群成员即时获取到很多有用信息。这不仅提高了团队协作效率，也使得信息共享更加便捷和高效。同时，钉钉群实时推送还能够与其他钉钉功能结合使用，例如与日程安排相结合，自动将重要日程和任务提醒推送至群内，提醒群成员关注和处理。此外，钉钉还支持在群聊中添加机器人，可以定制机器人的自动回复规则，实现自动化的即时通信，方便简洁，增加工作效率。总的来说，钉钉的实时推送功能为团队协作、项目管理和信息共享提供了全新的解决方案，让工作更加高效便捷，更加智能化。

7 结论

本文介绍了一种基于阿里云的无线IOT在数字制药车间应用系统，该系统针对我国制药产业在生产环境控制方面存在的问题，提出了一种新颖、高效、可靠、低成本的解决方案。该系统利用温度、湿度、火焰、MQ-7气体等多种传感器，分别部署在车间和仓库内部和外部，采集各项数据指标，并通过分布式网络节点将数据实时上传到网关设备。网关设备负责将数据转发到云端服务器，并进行数据处理和分析。该系统采用基于ZigBee协议的组网方式，在保证通信质量和稳定性的同时，降低功耗和成本，并实现多个车间及仓库之间的数据联网。通过云端平台，用户可以实时动态地监测工厂运行状态，并根据预警信息及时调整生产参数或采取应急措施，从而提高制药工厂的安全性和生产效率。

【通联编辑：梁书】