生物样本运输智能化监管系统的开发*

2017-11-03缪晓中

电子器件 2017年5期

关键词：冷藏箱运输智能化

缪晓中,彭力

(1.无锡职业技术学院电子与信息系,江苏无锡 214121;2.江南大学物联网工程学院,江苏无锡 214121)

生物样本运输智能化监管系统的开发*

缪晓中1*,彭力2

(1.无锡职业技术学院电子与信息系,江苏无锡 214121;2.江南大学物联网工程学院,江苏无锡 214121)

为解决生物样本运输过程中的安全问题,设计了将GPS定位系统、GPRS移动通信网和Internet网络、Web-GIS地理信息系统进行有机组合,对以STM8L151超低功耗微控制器为控制核心的智能化便携式生物样本冷藏箱进行监控的系统。实现对生物样本运输过程的实时温度检测、实时准确位置定位等操作,建立了生物样本运输智能化监管系统。实验结果表明温度数据测量与传输准确可靠,物品位置与运输路径显示准确。

智能化运输;状态实时监控;无线传感网;GPS;GPRS;GIS;RFID

生物样本主要是指标准化收集、处理、储存健康的或疾病生物体的生物分子、细胞、组织和器官等样本。这些生物样本具有与其相关的临床、病理、治疗、随访、知情同意等生物材料信息和其他相关信息[1]。对于一个大型样本库,在长期的样本收集和使用过程中,由于样本反复取出和存放,手动识别和追踪样本将成为一项不可能完成的任务。因此,生物样本库信息系统要具备强大的样本识别和追踪能力,每份样本在信息系统中应有唯一识别号,样本从采集到处理、储存、配送运输、使用后剩余返回重新储存等全过程都应被有效记录,并可通过信息系统查询追溯[2]。本文采用无线传感网相关技术实现了对智能化便携式生物样本冷藏箱中的生物样本信息识别、存储,运输过程中的实时温度检测、实时准确位置定位,确保样本的质量与安全。

1 智能化便携式生物样本冷藏箱设计

运输智能化监管系统的监测对象是便携式生物样本冷藏箱,该冷藏箱不同于普通的冷藏箱[3],而是采用了诸多信息技术,实现了多数据采集和传输的智能化。

如图1所示,通过PC上位机软件给生物样本冷藏箱系统设置服务器IP地址、端口号、采样时间、上传数据时间等参数。STM8L151C8微控制器接收到之后,将参数保存至EEPROM芯片AT24C04中,下次开机时将自动读取EEPROM中的参数。系统通过GPS模块通信,获取实时地理位置信息。微控制器根据设置好的时间间隔读取温度传感器DS18B20的温度数据。温度、地理数据存储入TF卡,做历史备份数据,以备GPRS模块连接不上网络时使用。RFID电子标签对于生物样本冷藏箱进行身份识别,并存储一定量的生物样本信息。GPRS数据通信模块根据设置好的参数连接服务器,与服务器进行数据通信,上传地理位置、温度、时间等数据。

图1 智能化便携式生物样本冷藏箱的组成框图

智能化便携式生物样本冷藏箱的电路如图2所示。

图2 智能化便携式生物样本冷藏箱的电路图

1.1 样本冷藏箱的微控制器STM8L151

样本冷藏箱采用的STM8L微控制器为意法半导体出品的超低功耗芯片,功耗比MSP430还要低。选择此款芯片主要有两个因素:一是低功耗,生物样本在运输过程中采用便携式智能化的冷藏箱,其供电采用锂电池,因此功耗是需重点考虑的。二是该芯片具有3个UART接口,而我们这个系统恰好需要3个UART接口。UART1通过USB转TTL芯片CH340T与PC上位机通信;UART2与GPS模块相连,用于获取位置信息;UART3与GPRS模块相连,进行无线通信。另外,此芯片具有蜂鸣器驱动接口、RTC、IIC、SPI、ADC,可以满足系统需求。蜂鸣器驱动板载的无源蜂鸣器,用于本地报警;RTC用于获取系统时间、IIC总线用于驱动EEPROM,存储系统参数;SPI总线用于驱动TF卡,存储数据;ADC用于监测电池电压。另外还扩展2路LED,用于指示。晶振采用内部晶振。

1.2 样本RFID电子标签

利用RFID电子标签对于生物样本运送箱进行身份识别,不但具有非接触式识别的特性,安全可靠,而且还有一定的数据存储空间,可以存储一定量的生物样本信息,通过对电子标签的读出和写入信息,可以将箱内盛放的样本信息化,实现生物样本的信息化管理[4]。

本项目采用13.56 MHZ高频RFID标签,工作频率为13.56 MHZ,该技术采用ISO/IEC14443标准,信号接口采用ISO/IEC14443标准中的TAPE A。标签内有1 kbyte容量EEPROM,可用于存放生物样本的信息,数据保存期可达10年,可改写10万次,读无限次。另外,阅读器和标签的读写距离在10 cm以内,满足实际操作需求。

1.3 样本位置的GPS定位模块

便携式冷藏箱内的STM8微控制器实时采集GPS位置信息,通过GPRS通信模块与上层实时数据上传。同时还可接受上层的各种指令,实现对位置信息的实时查询任务。GPS选用瑞士U-blox NEO-6 GPS模块,其尺寸小,专为低功耗和低成本而设计。U-blox 6系列接收模块在小巧的封装中提供了高性能和高层次的集成能力,非常适用于对尺寸有严格要求的终端产品。

1.4 样本GPRS通信链路

GPRS通用无线分组业务GPRS(General Packet Radio Service)基于GSM网络,共用GSM频率,共享GSM网络的绝大部分基础设施。利用GPRS无线数据网作为数据传输网络,可以充分利用和发挥GPRS在移动数据通信方面的技术优势。如用户容量大大提高,且可以提供移动网到TCP/IP互联网的接口,很适合移动物体数据采集系统的GPS位置、温度等数据的传输要求。便携式冷藏箱采用GPRS DTU通信模块,对冷藏箱配置IP地址及端口号,串口的波特率等参数,并且将配置好的参数保存在内部的EEPROM存储器件内。一旦上电,就自动按照设置好的参数进行工作[5]。

2 智能化监管系统的网络结构

如图3所示,该系统在逻辑上主要由GPS定位与数据采集系统、GPRS移动通信网和Internet网络、Web-GIS信息管理系统有机组合而成。在物理上则主要由智能生物样本冷藏箱、GPRS通信网、服务器(Web Server)、信息发布终端4部分构成。工作时,由数据通信服务器完成中心和客户端之间数据流的接收和发送,并对数据作分类预处理,即直接输入数据库或实时转发给客户端;数据库服务器专门支持GIS空间地理信息和样本冷藏箱属性信息属性数据库;信息发布Web服务器通过Web B/S方式支持客户端数据访问服务[6]。

图3 生物样本运输智能化监管系统的网络结构图

2.1 数据采集与传输端

便携式冷藏箱在运输过程中,通过冷藏箱内微控制器的控制,将采集到的地理位置、状态、温度等原始数据通过GPRS 传送到互联网,数据发送到中心的服务器进行处理并存入数据库。系统含有两个数据库,一是样本冷藏箱信息数据库,包括箱体的编号、用途、规格、型号、登记时间、使用范围、容积、应用特征、技术参数等一系列该箱体的基本属性信息。二是GIS空间地理数据库,用于以获取箱体实时定位信息和历史记录信息,实现地图位置显示、运动轨迹、实时定位、速度测量等一系列功能。通过直观的GIS 地理信息,可以对系统内的箱体进行全面跟踪掌握和查询[7]。

2.2 数据查询终端

数据溯源查询端采用浏览器/Web应用服务器/数据库服务器体系结构(B/S结构),用Web浏览器(如IE浏览器)作为客户端应用软件,用网页发布软件(如ⅡS)作为Web应用服务器,再加上数据库服务器(如SQL Server)。用户使用浏览器通过Internet向Web应用服务器发出页面请求,Web应用服务器对页面请求进行处理,最终将静态页面或带有从数据库取出数据的动态页面返回给用户浏览器,供用户阅读。该结构不需要安装任何应用软件即可使用,极大地方便了用户,得到了广泛的使用。终端查询系统通过Web 方式、手机移动终端以有线或无线方式等对物流过程的运输路径、在途时间、冷藏温度等信息进行溯源查询[8]。

在实际开发中采用基于.NET Framework框架的Web开发平台的ASP.NET技术,C#开发语言和Visual studio 2012 编译环境,开发实现GIS的Web应用,实现地图的显示和信息查询。

图4 生物样本运输时的路径图

样本运输系统的可视化监控界面如图4、图5所示,可以设置系统工作时的各个参数。通过提取GPS的经纬度信息来进行实际运输时位置实时跟踪、绘制运输路径图、历史轨迹重现。以及实时温度的获取,运输过程温度变化曲线的显示等[9]。

图5 生物样本运输过程中的实时温度数据曲线

3 结论

本系统通过RFID 电子标签技术对于每个生物样本的来源、内容、规格、运送目的地等数据进行存储与识别,可以使生物样本从最初的样本运输、存放管理等过程实现信息化管理。采用GPS定位技术、GPRS移动数据网技术和基于B/S方式GIS 地理信息管理技术结合,实现在Web浏览器上对生物样本的温度数据实时查询和电子地图上的位置路径轨迹实时查询,为样本的安全管理和安全运输、跟踪提供了有效保障。因此,利用GPRS移动通信网的优良传输性能和IP接入的技术特点,将基于B/S方式的GIS系统应用与GPS定位系统有机地结合,构成的对移动物体各参数的实时监控的网络架构,具有广泛的技术应用前景。

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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

项目来源:江苏省产学研联合创新资金——前瞻性联合研究项目(BY2014023-25)

2016-08-25修改日期2016-10-10

TP393

1005-9490(2017)05-1262-04