生物樣本運(yùn)輸智能化監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)*

繆曉中,彭 力

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息系,江蘇 無錫 214121;2.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

生物樣本運(yùn)輸智能化監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)*

繆曉中1*,彭 力2

(1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息系,江蘇 無錫 214121;2.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇 無錫 214121)

為解決生物樣本運(yùn)輸過程中的安全問題,設(shè)計(jì)了將GPS定位系統(tǒng)、GPRS移動通信網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)、Web-GIS地理信息系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)組合,對以STM8L151超低功耗微控制器為控制核心的智能化便攜式生物樣本冷藏箱進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對生物樣本運(yùn)輸過程的實(shí)時溫度檢測、實(shí)時準(zhǔn)確位置定位等操作,建立了生物樣本運(yùn)輸智能化監(jiān)管系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度數(shù)據(jù)測量與傳輸準(zhǔn)確可靠,物品位置與運(yùn)輸路徑顯示準(zhǔn)確。

智能化運(yùn)輸;狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控;無線傳感網(wǎng);GPS;GPRS;GIS;RFID

生物樣本主要是指標(biāo)準(zhǔn)化收集、處理、儲存健康的或疾病生物體的生物分子、細(xì)胞、組織和器官等樣本。這些生物樣本具有與其相關(guān)的臨床、病理、治療、隨訪、知情同意等生物材料信息和其他相關(guān)信息[1]。對于一個大型樣本庫,在長期的樣本收集和使用過程中,由于樣本反復(fù)取出和存放,手動識別和追蹤樣本將成為一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。因此,生物樣本庫信息系統(tǒng)要具備強(qiáng)大的樣本識別和追蹤能力,每份樣本在信息系統(tǒng)中應(yīng)有唯一識別號,樣本從采集到處理、儲存、配送運(yùn)輸、使用后剩余返回重新儲存等全過程都應(yīng)被有效記錄,并可通過信息系統(tǒng)查詢追溯[2]。本文采用無線傳感網(wǎng)相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對智能化便攜式生物樣本冷藏箱中的生物樣本信息識別、存儲,運(yùn)輸過程中的實(shí)時溫度檢測、實(shí)時準(zhǔn)確位置定位,確保樣本的質(zhì)量與安全。

1 智能化便攜式生物樣本冷藏箱設(shè)計(jì)

運(yùn)輸智能化監(jiān)管系統(tǒng)的監(jiān)測對象是便攜式生物樣本冷藏箱,該冷藏箱不同于普通的冷藏箱[3],而是采用了諸多信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)了多數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)闹悄芑?/p>

如圖1所示,通過PC上位機(jī)軟件給生物樣本冷藏箱系統(tǒng)設(shè)置服務(wù)器IP地址、端口號、采樣時間、上傳數(shù)據(jù)時間等參數(shù)。STM8L151C8微控制器接收到之后,將參數(shù)保存至EEPROM芯片AT24C04中,下次開機(jī)時將自動讀取EEPROM中的參數(shù)。系統(tǒng)通過GPS模塊通信,獲取實(shí)時地理位置信息。微控制器根據(jù)設(shè)置好的時間間隔讀取溫度傳感器DS18B20的溫度數(shù)據(jù)。溫度、地理數(shù)據(jù)存儲入TF卡,做歷史備份數(shù)據(jù),以備GPRS模塊連接不上網(wǎng)絡(luò)時使用。RFID電子標(biāo)簽對于生物樣本冷藏箱進(jìn)行身份識別,并存儲一定量的生物樣本信息。GPRS數(shù)據(jù)通信模塊根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)連接服務(wù)器,與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,上傳地理位置、溫度、時間等數(shù)據(jù)。

圖1 智能化便攜式生物樣本冷藏箱的組成框圖

智能化便攜式生物樣本冷藏箱的電路如圖2所示。

圖2 智能化便攜式生物樣本冷藏箱的電路圖

1.1 樣本冷藏箱的微控制器STM8L151

樣本冷藏箱采用的STM8L微控制器為意法半導(dǎo)體出品的超低功耗芯片,功耗比MSP430還要低。選擇此款芯片主要有兩個因素:一是低功耗,生物樣本在運(yùn)輸過程中采用便攜式智能化的冷藏箱,其供電采用鋰電池,因此功耗是需重點(diǎn)考慮的。二是該芯片具有3個UART接口,而我們這個系統(tǒng)恰好需要3個UART接口。UART1通過USB轉(zhuǎn)TTL芯片CH340T與PC上位機(jī)通信;UART2與GPS模塊相連,用于獲取位置信息;UART3與GPRS模塊相連,進(jìn)行無線通信。另外,此芯片具有蜂鳴器驅(qū)動接口、RTC、IIC、SPI、ADC,可以滿足系統(tǒng)需求。蜂鳴器驅(qū)動板載的無源蜂鳴器,用于本地報(bào)警;RTC用于獲取系統(tǒng)時間、IIC總線用于驅(qū)動EEPROM,存儲系統(tǒng)參數(shù);SPI總線用于驅(qū)動TF卡,存儲數(shù)據(jù);ADC用于監(jiān)測電池電壓。另外還擴(kuò)展2路LED,用于指示。晶振采用內(nèi)部晶振。

1.2 樣本RFID電子標(biāo)簽

利用RFID電子標(biāo)簽對于生物樣本運(yùn)送箱進(jìn)行身份識別,不但具有非接觸式識別的特性,安全可靠,而且還有一定的數(shù)據(jù)存儲空間,可以存儲一定量的生物樣本信息,通過對電子標(biāo)簽的讀出和寫入信息,可以將箱內(nèi)盛放的樣本信息化,實(shí)現(xiàn)生物樣本的信息化管理[4]。

本項(xiàng)目采用13.56 MHZ高頻RFID標(biāo)簽,工作頻率為13.56 MHZ,該技術(shù)采用ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn),信號接口采用ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)中的TAPE A。標(biāo)簽內(nèi)有1 kbyte容量EEPROM,可用于存放生物樣本的信息,數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10年,可改寫10萬次,讀無限次。另外,閱讀器和標(biāo)簽的讀寫距離在10 cm以內(nèi),滿足實(shí)際操作需求。

1.3 樣本位置的GPS定位模塊

便攜式冷藏箱內(nèi)的STM8微控制器實(shí)時采集GPS位置信息,通過GPRS通信模塊與上層實(shí)時數(shù)據(jù)上傳。同時還可接受上層的各種指令,實(shí)現(xiàn)對位置信息的實(shí)時查詢?nèi)蝿?wù)。GPS選用瑞士U-blox NEO-6 GPS模塊,其尺寸小,專為低功耗和低成本而設(shè)計(jì)。U-blox 6系列接收模塊在小巧的封裝中提供了高性能和高層次的集成能力,非常適用于對尺寸有嚴(yán)格要求的終端產(chǎn)品。

1.4 樣本GPRS通信鏈路

GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)基于GSM網(wǎng)絡(luò),共用GSM頻率,共享GSM網(wǎng)絡(luò)的絕大部分基礎(chǔ)設(shè)施。利用GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),可以充分利用和發(fā)揮GPRS在移動數(shù)據(jù)通信方面的技術(shù)優(yōu)勢。如用戶容量大大提高,且可以提供移動網(wǎng)到TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)的接口,很適合移動物體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的GPS位置、溫度等數(shù)據(jù)的傳輸要求。便攜式冷藏箱采用GPRS DTU通信模塊,對冷藏箱配置IP地址及端口號,串口的波特率等參數(shù),并且將配置好的參數(shù)保存在內(nèi)部的EEPROM存儲器件內(nèi)。一旦上電,就自動按照設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行工作[5]。

2 智能化監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖3所示,該系統(tǒng)在邏輯上主要由GPS定位與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPRS移動通信網(wǎng)和Internet網(wǎng)絡(luò)、Web-GIS信息管理系統(tǒng)有機(jī)組合而成。在物理上則主要由智能生物樣本冷藏箱、GPRS通信網(wǎng)、服務(wù)器(Web Server)、信息發(fā)布終端4部分構(gòu)成。工作時,由數(shù)據(jù)通信服務(wù)器完成中心和客戶端之間數(shù)據(jù)流的接收和發(fā)送,并對數(shù)據(jù)作分類預(yù)處理,即直接輸入數(shù)據(jù)庫或?qū)崟r轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器專門支持GIS空間地理信息和樣本冷藏箱屬性信息屬性數(shù)據(jù)庫;信息發(fā)布Web服務(wù)器通過Web B/S方式支持客戶端數(shù)據(jù)訪問服務(wù)[6]。

圖3 生物樣本運(yùn)輸智能化監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸端

便攜式冷藏箱在運(yùn)輸過程中,通過冷藏箱內(nèi)微控制器的控制,將采集到的地理位置、狀態(tài)、溫度等原始數(shù)據(jù)通過GPRS 傳送到互聯(lián)網(wǎng),數(shù)據(jù)發(fā)送到中心的服務(wù)器進(jìn)行處理并存入數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)含有兩個數(shù)據(jù)庫,一是樣本冷藏箱信息數(shù)據(jù)庫,包括箱體的編號、用途、規(guī)格、型號、登記時間、使用范圍、容積、應(yīng)用特征、技術(shù)參數(shù)等一系列該箱體的基本屬性信息。二是GIS空間地理數(shù)據(jù)庫,用于以獲取箱體實(shí)時定位信息和歷史記錄信息,實(shí)現(xiàn)地圖位置顯示、運(yùn)動軌跡、實(shí)時定位、速度測量等一系列功能。通過直觀的GIS 地理信息,可以對系統(tǒng)內(nèi)的箱體進(jìn)行全面跟蹤掌握和查詢[7]。

2.2 數(shù)據(jù)查詢終端

數(shù)據(jù)溯源查詢端采用瀏覽器/Web應(yīng)用服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)(B/S結(jié)構(gòu)),用Web瀏覽器(如IE瀏覽器)作為客戶端應(yīng)用軟件,用網(wǎng)頁發(fā)布軟件(如ⅡS)作為Web應(yīng)用服務(wù)器,再加上數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(如SQL Server)。用戶使用瀏覽器通過Internet向Web應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出頁面請求,Web應(yīng)用服務(wù)器對頁面請求進(jìn)行處理,最終將靜態(tài)頁面或帶有從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)的動態(tài)頁面返回給用戶瀏覽器,供用戶閱讀。該結(jié)構(gòu)不需要安裝任何應(yīng)用軟件即可使用,極大地方便了用戶,得到了廣泛的使用。終端查詢系統(tǒng)通過Web 方式、手機(jī)移動終端以有線或無線方式等對物流過程的運(yùn)輸路徑、在途時間、冷藏溫度等信息進(jìn)行溯源查詢[8]。

在實(shí)際開發(fā)中采用基于.NET Framework框架的Web開發(fā)平臺的ASP.NET技術(shù),C#開發(fā)語言和Visual studio 2012 編譯環(huán)境,開發(fā)實(shí)現(xiàn)GIS的Web應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)地圖的顯示和信息查詢。

圖4 生物樣本運(yùn)輸時的路徑圖

樣本運(yùn)輸系統(tǒng)的可視化監(jiān)控界面如圖4、圖5所示,可以設(shè)置系統(tǒng)工作時的各個參數(shù)。通過提取GPS的經(jīng)緯度信息來進(jìn)行實(shí)際運(yùn)輸時位置實(shí)時跟蹤、繪制運(yùn)輸路徑圖、歷史軌跡重現(xiàn)。以及實(shí)時溫度的獲取,運(yùn)輸過程溫度變化曲線的顯示等[9]。

圖5 生物樣本運(yùn)輸過程中的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)曲線

3 結(jié)論

本系統(tǒng)通過RFID 電子標(biāo)簽技術(shù)對于每個生物樣本的來源、內(nèi)容、規(guī)格、運(yùn)送目的地等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與識別,可以使生物樣本從最初的樣本運(yùn)輸、存放管理等過程實(shí)現(xiàn)信息化管理。采用GPS定位技術(shù)、GPRS移動數(shù)據(jù)網(wǎng)技術(shù)和基于B/S方式GIS 地理信息管理技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)在Web瀏覽器上對生物樣本的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時查詢和電子地圖上的位置路徑軌跡實(shí)時查詢,為樣本的安全管理和安全運(yùn)輸、跟蹤提供了有效保障。因此,利用GPRS移動通信網(wǎng)的優(yōu)良傳輸性能和IP接入的技術(shù)特點(diǎn),將基于B/S方式的GIS系統(tǒng)應(yīng)用與GPS定位系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合,構(gòu)成的對移動物體各參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),具有廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景。

[1] 董爾丹,胡海,俞文華. 生物樣本庫是生物醫(yī)學(xué)研究的重要基礎(chǔ)[J]. 中國科學(xué):生命科學(xué),2015,45(5):359-370.

[2] 姜孟楠,王嘉琪,劉波,等. 全國省級衛(wèi)生行政主管部門實(shí)驗(yàn)室生物安全管理能力調(diào)查及分析[J]. 疾病監(jiān)測,2016,31(2):166-170.

[3] 陳昌盛,魏旭來,唐韜. 基于嵌入式的小型恒溫冷藏箱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(18):164-166.

[4] 姚振強(qiáng),王建,胡永祥,等. 基于RFID/GPRS/GPS/GIS 的危險(xiǎn)品物流智能監(jiān)管系統(tǒng)[J]. 公路交通科技,2013,30(2):147-152.

[5] 溫兆奇,徐軍明,秦會斌. 基于GPRS 的智能照明系統(tǒng)控制終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子器件,2013,36(3):413-417.

[6] 張劍,劉允才. GPRS/Web-GIS在GPS車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程,2004,30(13):157-159.

[7] 金子辰,盛偉民,吳立夢,等. 基于RFID、GPS、GIS 和GPRS 技術(shù)的智能化生物樣本運(yùn)輸監(jiān)管系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]. 環(huán)境與職業(yè)醫(yī)學(xué),2012,29(4):225-230.

[8] 徐葉雷,方勇. 基于MEMS加速度計(jì)的車用自動呼救系統(tǒng)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(6):887-892.

[9] 李業(yè)芝,王勇,王瑛. 基于GIS和智能手機(jī)的監(jiān)控與應(yīng)急指揮系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2014,35(9):3327-3331.

DevelopmentofIntelligentSupervisionSystemforBiologicalSampleTransportation*

MIAOXiaozhong1*,PENGLi2

(1.School of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Department of Electronics and Information Engineering,Wuxi Institute of Technology,Wuxi Jiangsu 214121,China)

To solve the security problems of biological samples on transportation,the monitoring system for the portable biological sample refrigerator was designed based on STM8L151 ultra low power microcontroller as the control core through the organic combination of GPS,GPRS mobile communication network and Internet GPS positioning system. The real time temperature measurement,real-time accurate location and other operations were realized,and the intelligent monitoring system for the transport of biological samples was established. The experimental results show that the measurement and transmission of temperature data are accurate and reliable,and the location of the goods and the display of the transport path are perfect.

intelligent transportation;state real time monitoring;wireless sensor network;GPS;GPRS;GIS;RFID

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.040

項(xiàng)目來源:江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014023-25)

2016-08-25修改日期2016-10-10

TP393

A

1005-9490(2017)05-1262-04

繆曉中(1972-),男,漢族,江蘇無錫人,無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院工作,副教授,碩士,主要從事儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面的研究,mxz72410@163.com;

彭力(1967-),男,漢族,河北唐山人,江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、模式識別與智能系統(tǒng),pengli@jiangnan.edu.cn。