基于433MHz无线通讯的温湿度监控系统开发

王吉鸣，吕颖莹，楼理纲（浙江大学医学院附属第一医院，浙江杭州 310003）



基于433MHz无线通讯的温湿度监控系统开发

王吉鸣，吕颖莹，楼理纲
（浙江大学医学院附属第一医院，浙江杭州 310003）

〔摘要〕由于医院环境复杂、医用冰箱分布杂乱，造成对冰箱温湿度监测以及环境温湿度监测困难多、实现难。本文研制一款基于433MHz无线通讯的温湿度监控系统，并在此基础上提出了两项关键软件算法，改善433MHz的无线通讯协议，使得本系统的无线数据传输稳定，数据完整度高，在断电、主机损坏等异常条件下，测点终端仍能完整保存测量数据，待系统恢复正常补偿历史数据。经试验表明，本系统对温湿度数据的稳定传输率达96.5%，温度异常正确报警率高达99%。

〔关键词〕温湿度；智能监控；无线通讯；433MHz

0　引言

随着生物医药产业的发展，对温度变化敏感的生物制剂和药品品种不断增加；另一方面随着医院管理品质要求的提高，对环境以及药物储存冰箱的温湿度监控的需求和要求也在不断提升[1]。基于485有线通讯的温度监测装置在现阶段已被使用至一些复杂情况下的温度监测，但是此方法对通讯物理链路依赖性大，一旦通讯链路某一段出现故障，可能会导致整个系统瘫痪，所以目前也推广出一部分基于无线通讯的温度监测装置[2]。针对医院环境以及冰箱分布的复杂性，市面上普遍采用的基于Zigbee协议、SPIN路由协议、DD路由协议的无线传感网络已经不能满足要求，其主要待解决问题是传输距离短、穿透能力较差、通过密闭性能好的医疗实验室或进行远距离信号传输效果很差[3]，所以研制一款针对医疗冷藏品及医院环境这一特定环境中使用的温湿度监测装置很有必要。

本文主要介绍一种基于433MHz频率的无线路由协议的温湿度监测系统。基于433MHz无线通讯协议的传感网自组织能力强，通讯稳定性，装置温湿度检测效果良好，且具备数据存储，可广泛应用于医疗机构的各类工作场所——如药库、血库、病房等大空间的温度监控，也可用于保存医用血液、生物制剂，体液标本和药品等各类冷藏设备的温度监控使用。

1　系统方案设计

433MHz无线通讯温湿度监控系统由多个测点终端、两个管理主机和上位机软件组成，具体运作效果如图1所示，其中冰箱温度监测器和环境温湿度监测器均可作为测点终端，两个管理主机分为主集汇器和副集汇器。

实际工况中，冰箱或冷库的温度监测器和环境温湿度监测器实时监测温湿度信息，主集汇器通过呼唤方式呼叫每个测点终端将检测得到的温度和湿度信息通过无线网络发送出去，主、副集汇器均具备数据接收发送、存储功能，并具有智能报警功能，且两者相互独立工作，若其中一台失效，另一台可代替工作，但实际工作中主集汇器优先级高。

图1　433MHz无线通讯温湿度监控系统结构图

对于无线数据通讯存在的主要问题[4，5，6]，本系统做了针对性解决方案：（1） 测点之间通讯距离过远。可通过周围其他测点终端接力传送数据，此时该测点终端具备路由节点和测点终端两个功能，极大地提高数据链路可靠性，减小了源测点终端的发送功率；（2） 遇主机故障或接力终端故障，无法传输数据。测点终端能自动保存并备份数据，待主机或终端恢复正常通讯后续传历史数据，确保传输数据的完整性。

2　433MHz无线通讯温湿度监控系统硬件设计

433MHz无线通讯温湿度监控系统硬件设计如图2所示。

对于医学存储冰箱而言，温度要求主要分为以下几种：22℃恒温冰箱、2～8℃的低温冰箱、-15～30℃的中低温冰箱以及-30～50℃的超低温冰箱，所以对温度传感器的选择比较严格。本装置温度采集选用AD7416数字温度传感器，其测温范围为-55～125℃，具有分辨率和精度高的特点[7]。温度传感器的制作工艺添加黄铜包裹灌胶的技术，确保传感器稳定工作；湿度采集选用SHT11数字湿度传感器，其测量相对湿度范围为0～100%RH，测量精度为±2%RH[8]。

无线通信模块的选择直接影响无线网络的可靠性。无线通讯模块采用CC1101，它是TI公司生产的高性能无线通信芯片，其电路主要设定为在315、433、868MHz和915MHz 的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其他频率。CCl101集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到+10dBm，且接收灵敏度可达-110dBm，抗干扰能力强，功耗较低。无线射频模块电路设计如图3所示。

图2　433MHz无线通讯温湿度监控系统硬件框图

图3　CC1101射频电路

STC单片机与射频芯片之间采用SPI接口，此方案具有电路结构简单、速度快、通信可靠等优点。

为便于后期对温湿度采集器的校准，本装置设置了线性调整按键模块。在温湿度校准过程中，当本装置温湿度采集器的温湿度变化较计量院标准件温湿度变化呈线性关系时，可通过按键模块，线性调整本装置的温湿度参数值，使得本装置测量误差度降至最低。

3　433MHz无线通讯温湿度监控系统软件设计

3.1主流程设计

STM32F103微处理器是目前的主流控制芯片，其功能强大、编程函数库庞大的特点在很大程度上已经超过51单片在控制工程上的应用，本装置即采用STM32作为主控制芯片，以Keil软件为平台，编写温湿度采集器和主、副集汇器控制程序，主程序流程如图4所示。

图4　主程序流程图

程序模块主要包括主程序模块、温湿度采集程序模块、CC1101无线收发模块、按键模块和显示模块。

3.2基于433MHz的无线通讯软件设计

由于医院、血站等医学单位空间分布复杂，冰箱的安排位置杂乱，普通的433MHz无线通讯协议已不能很好满足此环境下数据通讯的要求，所以本文在433MHz无线通讯协议的基础上提出了2项关键算法，算法流程如图5所示。

关键算法一即心跳包算法，顾名思义主集汇器每个单位时间周期向每个测点终端发送带地址码的心跳包，当相应地址的测点终端收到心跳包后，则向主集汇器发送当前时刻测点终端检测得到的温湿度信息。另一方面当某个测点距离主集汇器或副集汇器过远时，且该测点又监听到附近测点在持续一段时间内有连续的心跳反应，则判定该测点由于距离主、副集汇器的距离过远导致无法接收到心跳包，此时测点将数据发送至距离它最近的活动测点，发送自身数据，保证每个测点数据均能正常稳定的被接收。

关键算法二即智能识别测点或主集汇器故障，当距离主、副集汇器过远的测点在长时间未收到心跳包，且无法监听到周围测点的心跳反应，测立刻启动接收功率放大模式，扩大范围监听周围测点心跳反应，若此时可以监听得到心跳反应，则说明距离此测点较近的测点发生故障；若放大接收功率仍无法监听得到心跳反应，则说明主集汇器故障。上述两者情况下，测点均会保存失效心跳反应后的数据，等待网络维护。

3.3监控终端设计

上位机界面主要包括用户登录界面、科室显示界面、各测点数据显示界面及曲线、报警设置界面以及数据库，界面采用Microsoft Visual studio2005软件开发，以Windows采用目前最流行的C#编程。主集汇器或副集汇器通过无线得到各测点温湿度监测器的信息后，通过485转串口将数据发送至PC机。

图5　基于433MHz的无线通讯关键算法流程

4　实验测试

4.1系统稳定性试验

本文通过人为破坏手段，对系统的稳定性进行测试。以浙江大学医学院附属第一医院静脉配置中心测点为例，在2014年9月20日和2014年9月10日对主、副集汇器进行人为断电测试，通过数据显示，经3.2节中提及的关键算法二处理，该测点可有效保存主、副集汇器在故障期间的测量数据，并在系统恢复正常后正确补偿丢失数据，且该数据丢失情况可在显示界面上显著体现。通过大量的实验数据可得，基于433MHz无线通讯温湿度监测系统对温湿度数据的稳定传输率达96.5%，温度异常正确报警率高达99%。

图6　温湿度对比试验

4.2系统检测准确性试验

判断系统是否符合要求不仅要从稳定性判断，而且还要满足系统的测试要求，本装置通过温湿度采集对比实验监测系统数据监测准确性是否满足要求，对比标准件为浙江省计量院认证的温湿度标准件，实验工况分别为22℃恒温冰箱、2～8℃的低温冰箱、-30～50℃的超低温冰箱以及危险品药物储存库，对比结果如图6所示。

通过图6的温湿度检测对比数据可知，本文设计的基于433MHz无线通讯的温湿度监测系统的检测效果良好，对于上述3个温度工况条件下均能有效根据冰箱温度变化，且测量结果较标准件的误差均小于（-0.2℃，+0.2℃），该误差范围严格满足医用冰箱为温度检测的要求。另一方面，通过比对湿度检测的实验结果可知，本装置测量结果较标准件误差最大为5%RH，这是因为药库经常有工作人员出入，湿度传感器对环境湿度变化敏感，所以引起较大的比对误差，但是（-5%RH，+5%RH）也均可满足环境湿度检测要求。

5　总结

本研究项目完成一套基于无线传感网络的温湿度监控系统，并在433MHz无线通讯协议的基础上提出了两项关键算法，大大改善了通讯稳定性，且系统对温湿度的检测效果良好。随着医院信息化管理要求的不断提高，医疗系统应用的需求非常广阔，此装置具有很好的技术应用和产业化前景。

［参考文献］

［1］ 王治国.冰箱监控系统对药品保存的意义[J].中国药事，2010，24（9）：875-797.

［2］ 赵强利， 蒋艳凰， 徐明. 无线传感器网络路由协议的分析与比较[J]. 计算机科学，2009，36（2）35-40.

［3］ 刘玉珍，程政，蒋靖.基于ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统[J].仪表技术与传感器，2012.9：49-53.

［4］ 刘奕宏. RF 433MHz手持终端的设计[D]. 广州：广东工业大学，2009.

［5］ 周建民，徐鹏. 一种基于ZigBee技术无线抄表系统的设计[J].微计算机信息，2009，9（2）：25-27.

［6］ 李文杰. 基于433MHz无线通讯网络的LED调光系统[J]. 通信技术，2013.46（3）：23-26.

［7］ 李平，巍仲慧，何昕，等. 高精度星敏感器温度测量系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2012.38（9）：82-85.

［8］ 王武礼， 杨华. 基于SHT11的粮仓温湿度测控系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010，(39）：50-59.

Development of a temperature and humidity monitoring system based on 433MHz wireless

Wang Jiming， Lv Yingying，Lou Ligang
（The First Affiliated Hospital of Zhejiang University， Hangzhou， 310003）

Abstract Objective：Temperature and humidity impacted on blood， biologics and medicine preservation. So temperature and humidity monitoring system based on 433MHz frequency wireless， Ad Hoc sensor network， was significant for it. System Proposed two key algorithms to solve wireless communication problem. Monitoring terminal and MCU constituted master-slave control system，that could monitor， record and analysis temperature and humidity the whole day. The test result by number of medical units showed that this temperature and humidity monitoring system has high precision， low failure rate， 99% accurate alarm rate and 96.5% data transmission integrity.

Key words：temperature and humidity； Intelligent monitoring； Wireless communication； Ad Hoc； 433MHz RF

收稿日期：2015-06-10

基金项目：浙江省教育厅科研项目(Y201328387)

〔中图分类号〕TP27

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1002-2376（2015）09-0033-04