基于无线传感器网络的智能温度记录仪的研制

发布时间：2017-05-09 05:54

  本文关键词：基于无线传感器网络的智能温度记录仪的研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：温度敏感性产品,如冷藏药品、奶制品和农产品等,从生产、贮藏运输、销售,到消费前的各个环节中,始终处于规定的低温环境下,以保证产品的质量。这就需要一项低温系统工程——“冷链”。特别是医药行业,药品的质量关乎人民的健康与社会的安定,而且它比一般农产品对冷藏条件要求更高。确保冷藏药品的质量安全是医药冷链的主要目的,保持低温环境是医药冷链的核心要求。 我国医药冷链行业正处于起步阶段,发展现状可总结为：(1)医药市场需求激增,医药冷链物流发展空间广阔；(2)缺少执行力强的行业标准,近79%的冷藏药品在运输中没有温度监测；(3)信息系统不完善,缺乏上下游信息的衔接和共享,常出现“断链”现象；(4)基础设备落后,自动化水平低,难以保证可靠性；(5)专业人才匮乏。可见,我国医药冷链正面临着严峻的考验,亟待建立全程监测和追溯系统,构建信息化服务平台。 本论文在查阅大量文献和调研国内外监测设备的基础上,针对我国医药冷链监测的特点和不足,研制了一款基于无线传感器网络技术的智能温度记录仪。主要研究内容如下： 1.无线传感器网络技术研究 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)一种新兴的高科技产业,以其微型化、低功耗、自组网等独特的优点,被广泛应用于军事、环境监测和预报、医疗、智能家居、大型仓库管理等领域。WSN目前在物流行业的主要应用包括仓储环境监测、在途货物监测和货物管理等。若将WSN应用于医药冷链,可实现真正的无人值守、自动化监测,极大地避免因冷链设备自身故障、人为操作失误、制冷剂失效等问题引起地冷藏药品的质量问题,保障医药冷链设备持续有效的运行,从而提高医药冷链的可靠性。 无线传感器网络的拓扑结构有星型网、树形网和网状网。星型网是一个单跳网络,结构最简单,最易实现,最容易诊断维护故障,适用于小范围室内监测。树形网是分级的集中控制型网络,成本较低,节点易于扩充。但各子节点对母节点的依赖性强,若母节点发生故障,则其子节点都不能正常工作。网状网是一个多跳网络,任意两个节点间均可通信,因此该网络传输距离远,覆盖范围大,自愈能力强,网络可靠性高,但该网络结构复杂,可维护性差。综上所述,各种网络结构都有其优缺点,适用于不同场合。本文最终采用节点功耗最低的星型网络拓扑结构,以监测终端为网络协调器,构建低功耗、短延时、易于维护的高效的监测网络系统。 2.医药冷链温度记录仪总体设计 本文设计了一个基于无线传感器网络的智能温度记录仪,可用于对冷藏药品从加工、贮藏、运输到使用前的全程温度监测、记录和预警。本记录仪由若干个无线传感器节点和一个智能监测终端组成,其中无线传感器节点分别对批量贮藏箱体、移动运输工具进行实时周期性地温度采集和预处理,并同步发送给站内监测终端；终端对多项监测任务数据进行海量存储、分析处理,并可实现高低温短信报警,以及向监管部门和使用者提供历史数据追溯。 3.记录仪的硬件设计 根据记录仪的总体设计方案,本智能温度记录仪由无线传感器节点和智能监测终端两部分组成。本文分别对节点和终端模块化,并依次完成各个部分的功能框图设计、器件选型、原理图设计、PCB设计和实物焊接。其中节点包括传感器单元、主控单元、通信单元和电池四部分,终端包括主控单元、触摸屏、通信单元、报警单元、存储单元和电源。 1)节点选用超低功耗芯片ATmega169作为主控芯片,利用温度传感器Pt100采集冷藏环境温度数据,通过射频模块JTT4432与智能监测终端实时交互温度信息,采用两节七号碱电池供电。整个节点设计具备微型化、低功耗、低成本、可扩展性和高可靠性等特点。 2)高精度测量电路。温度传感器Pt100经恒流源驱动电路,产生一个精密的温度电压值,该电压信号流过低温漂高精度运放进行信号调理,再通过二阶有源低通滤波器提高抗干扰能力,最后经单片机12bit ADC采样、软件处理获取-100～100℃范围内,精度为0.1℃的温度数据。 3)监测终端采用主从控制模式,触摸屏SK_AE050为主机,单片机ATmega128为从机,通过RS232连接。触摸屏触发Atmega128通过无线通信模块JTT4432与节点交互温度信息；Atmega128对节点返回的数据分析汇总；海量温度数据被存储在SD卡中；当温度超限时,GSM模块TC35实时向用户发送报警短信；电源采用220V市电,经AC-DC电源模块LH20-10B24输出24V电压。 4.记录仪的软件设计 无线传感器节点的软件部分主要包括主程序、温度采集子程序、射频收发子程序、显示子程序和电池控制子程序。节点首先对Atmage169及各模块芯片初始化,配置节点处于休眠状态；按设定频率采集温度数据,并对数据预处理、显示；同时节点随时等待射频中断触发,接收监测终端发来的命令帧,收到处理命令帧,载入采集数据值返回终端。 智能监测终端软件包括内部通信程序和外围控制程序。其中触摸屏与单片机间的内部通信通过MODBUS协议实现；终端外围控制程序又包括主程序、数据存储子程序、射频收发子程序和报警子程序等。 5.人机界面设计 友好的人机交互环境是仪器设计的重要组成之一。本设计采用触摸屏为用户提供一个生动、直观的、易于操作的监测环境。本记录仪实现的人机交互功能包括,用户登录、节点拓扑图、参数设置、监测数据显示、高低温报警和历史数据查询等。人机界面的实现主要分为两部分：基于组态软件SKWorkshop4.0.0的画面设计；基于MODBUS协议完成与单片机通讯程序编写。 6.整机性能测试 在已搭建的实验平台上,进行整机性能测试。主要包括测温实验、通信可靠性实验和电池工作时间计算。 通过多次性能测试结果表明,本文研发的基于无线传感器网络的智能温度记录仪,基本实现了预期的设计目标,可有效的解决医药冷链监控过程中对高精度、全程记录、低功耗、实时报警和历史追溯的需求。通过该无线温度记录仪的应用,实现实时在线冷链设备温度监控,大幅提高血液、疫苗等冷藏药品冷链保障的可靠性,依据记录数据验证冷链储运性能,降低工作人员劳动强度,避免因设备故障或人员操作失误造成宝贵的药品因温度问题而损坏。采用该记录仪全天候监测、记录、预警,多方位冷链异常信息获取,真正实现无人值守冷链实时在线监控功能,提高医药储运的监控效率和监控的可靠性,及时预警。 综上所述,本文的主要成果和创新点主要有： 1.高精度测温电路。关键是设计高精度恒流源和二阶有源低通滤波器,优化参数,匹配设计,提高抗干扰能力。 2.无线通信节点设计。射频系统基于传输线理论,因此对器件布局,PCB设计,天线的方向都有很高的要求,设计高效射频通路是系统的关键。 3.友好的人机界面。基于触摸屏模式设计的终端,界面友好,操作简单。 虽然本文研制的温度记录仪已基本实现了预期的设计目标,但设计中还存在这不足,有待进一步完善,今后的工作可能有： 1.网络结构优化。本文采用的相对简单的星型网络结构,适合小范围的监控现场,但对于监控设备数量大的现场应用,可尝试网状网络结构。运用精度高、可靠性高、网状网进一步完善网络结构。 2.融合物联网技术。随着科技的发展,人们对物联网的认识,可考虑添加节点定位功能、并融入RFID技术。完善记录仪在冷链移动现场的作业能力,提高医药冷链的信息管理水平。
【关键词】：医药冷链 无线传感器网络 温度监测 星形网
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.6
【目录】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-18
• 第一章 绪论18-26
• 1.1 研究背景及研究意义18-19
• 1.2 温度记录仪的研究现状及发展趋势19-24
• 1.2.1 国外研究现状19-21
• 1.2.2 国内研究现状21-23
• 1.2.3 国内外现状总结分析23-24
• 1.3 论文的主要研究内容及结构24-26
• 1.3.1 主要研究内容24
• 1.3.2 本文结构24-26
• 第二章 温度记录仪总体设计方案26-33
• 2.1 无线传感器网络26-30
• 2.1.1 无线传感器网络概述26-27
• 2.1.2 WSN技术在医药冷链中的应用27
• 2.1.3 无线传感器网络拓扑结构27-29
• 2.1.4 通信频率对比29-30
• 2.2 温度记录仪总体设计方案30-32
• 2.2.1 温度记录仪总体设计方案30-31
• 2.2.2 性能指标31
• 2.2.3 记录仪特点31-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 温度记录仪硬件设计33-45
• 3.1 记录仪硬件结构设计33-34
• 3.2 器件选型34-39
• 3.2.1 温度传感器34
• 3.2.2 节点主控芯片34-35
• 3.2.3 通信模块35-36
• 3.2.4 节点电源模块36-37
• 3.2.5 终端主控芯片37
• 3.2.6 触摸屏37-38
• 3.2.7 报警单元38-39
• 3.2.8 终端电源39
• 3.3 电路设计39-43
• 3.3.1 高精度测温电路39-41
• 3.3.2 射频电路41
• 3.3.3 电池升压电路41-42
• 3.3.4 SD卡电路42
• 3.3.5 终端电源电路42-43
• 3.4 PCB设计43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 温度记录仪软件设计45-50
• 4.1 节点软件设计45-47
• 4.1.1 射频收发子程序46-47
• 4.2 终端软件设计47-49
• 4.2.1 SD卡驱动子程序48-49
• 4.3 本章小结49-50
• 第五章 人机界面设计50-60
• 5.1 MODBUS协议简介50-51
• 5.1.1 MODBUS RTU传输模式50-51
• 5.1.2 MODBUS数据模型51
• 5.2 基于SKWORKSHOP的组态画面设计51-54
• 5.3 基于MODBUS协议的与单片机通信实现54-56
• 5.4 触摸屏通信控制测试56-59
• 5.4.1 读位操作(读取线圈状态)56-57
• 5.4.2 写位操作(强制单个线圈)57-58
• 5.4.3 读字操作(读取保持寄存器)58
• 5.4.4 写字操作(预置单个寄存器)58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第六章 整机调试与性能分析60-66
• 6.1 传输距离测试60-61
• 6.1.1 无障碍通信测试60
• 6.1.2 有障碍通信测试60-61
• 6.2 测温测验61
• 6.3 基本功能测试61-62
• 6.4 节点电池工作时间计算62-65
• 6.5 本章小结65-66
• 第七章 总结与展望66-68
• 7.1 总结66-67
• 7.2 展望67-68
• 参考文献68-71
• 攻读学位期间成果71-72
• 致谢72-73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：351889