蒙治科，党小花，马君毅，宁睿

【摘  要】 药厂等无菌生产的空间环境中，对空气环境的洁净度要求较高。基于此，文章依据无菌空间的环境需求，开发了ZigBee和NB-IoT技术的环境监测系统，实现了洁净室关键生产区域内温湿度、颗粒物、悬浮微生物以及悬浮粒子数等环境参数的监测，进而确保洁净室生产活动的环境要求。结果显示，参照IEEE 802.3 at标准的环境监测系统设计实现了供电信号和控制信号的双向交互，使环境监测业务实现了集成，并且系统的稳定性和灵活性也大幅提升。环境监测系统能够应用于洁净室的环境监测，实现了温湿度、浮游菌以及悬浮粒子数的综合测量，实测数据表明，其监测数据与监测信息的准确度较高，能够准确描述洁净室环境的末端状态，应用效果良好。

【关键词】 洁净室；环境监测；生产环境；实现策略

一、洁净室环境监测系统的硬件方案

（一）综合监测仪

综合监测仪在系统内为集成化的综合测量产品，主要应用于室内温湿度、颗粒物以及生物浓度的监测，安装结构为三脚架安装，其安装的监测位置为测试大厅内来实时地获取现场监测数据。线路设备硬件中，网络数据传输以及电力数据传输主要是由PoE技术结合网线线缆来实时地进行通讯和供电，保证了整个供电及数据通信的安全和可靠低功耗监控的传感节点分布。同时综合监测仪的布置节点模型也是重要的核心环节，其节点分布计算的原理为：

A=cNjai

式中：Nj为第j层汇聚节点的位置集合；ai是第i个节点的距离损耗；c是常数系数，默认取值为0.85。系统采用了多源阵列的融合感知方法，实现了远距离和低功耗的数据传输效果。

（二）上位机

上位机所采取的类型主要为服务器和普通台式机两种类型，其安装位置为控制室，软件侧需要辅助有监测及控制软件进行功能辅助（需定期开展软件升级），实现软硬件之间的完整功能交互。其功能要点上需要满足所有远程监测仪器的通讯、数据可视化、数据统计分析、数据存储及数据调用、采样时间周期设置等。

（三）以太网络

以太网絡主要是由以太网和PoE交换机组成，其中PoE交换机能够为整个系统装置提供稳定的电力供应，并结合以太网络实现了远程监控仪和上位机之间的稳定数据传输，实现了信号传递的稳定传输。

（四）交换机网络

依据“PoE交换机组”的功能要求，其硬件网络在保证数据传输效率的同时，还能够为网络终端提供稳定的电能，根据IEEE 802.3 at标准的供电传输设备的功率为25.5W，交换机网络能够满足网络内各个硬件的数据监控与传输需求。需要特别说明的是，在进行硬件设备产品选型的过程中需要对端口数量以及在线设备数量进行综合考量，最大限度地保证多点监测中的每个端口都能够获得稳定的功率。

二、洁净室环境监测系统的功能模块

（一）温度、湿度检测

洁净室的生产环境参数中，对产品生产的环境要求较高，因此对传感器的传感精密度要求也较高，系统监测的传感器末端中，设计了PT100A级铂电阻和湿敏电容为末端传输接口。其温度传输的数据精度为0～50℃（±0.2℃）；湿度传感器的数据精度为0～100% RH（±2%），并且温湿度的检测集成到在线监测系统当中。

（二）洁净度检测

洁净度检测主要是通过激光空气粒子计数器来对洁净室内的洁净度参数进行测量，测量的过程中，采样空气以2.5 L/min的速度流经光敏区，光敏区内依据光散射的原理，对空气进行照射。其中，在线悬浮粒子监测系统为PMS系统，离线在线悬浮粒子监测系统为德国默克系统。经过光电转化以及信号调理后，实现对多通道的灰尘粒子脉冲计数，最终输出不同粒径的粒子串行数据。

（三）串口服务器

基于DSP系统来开展洁净室空间环境监测与数据转换，其加载方式主要由BMODE0、BMODE1来进行设定。串口服务器完成的是串行通信以及基于以太网的TCP/IP通信，进而综合满足了整个系统的数据传输要求。

（四）PoE分离器

各类节点的数据信号传输要求，硬件结构系统中的PoE分离器需要分解成硬件设备的控制信号以及24V（DC）电流两种。同时为更好地满足综合监测仪的功耗需求，所有软件参数及数据传输需支持IEEE 802.3 at的执行标准，进而更好地保证供电冗余度以及监测仪运行的稳定性。并且对标准本身而言，IEEE 802.3 at标准集成了浪涌保护、数字PD控制等核心功能，也能够最大限度地维护系统运行的安全。

（五）监测仪散热设计

洁净室内对环境温度的稳定性具有较高的要求，而末端监测设备由于其自身内部发热的影响，可能会降低末端采集数据的精确度。因此在进行硬件设计和场地布置的过程中，需要重点优化发热设备的设计与布置，在外壳当中增设散热孔，并且根据现场的空间位置情况优化传感器的位置布局。

（六）通信与监测仪设计

软件系统采用了IEEE 802.3 at的参数设计标准，通过以太网线缆实现了电力和信号传输的复用。其远程通信协议主要涵盖的是启停控制信号以及数据传输等多项数据，通过配合上位机软件中的终端设备配置功能，能够最大限度地保障系统配置的便利性及灵活度。

三、洁净室环境监测系统的设计

环境监测系统采用了嵌入式的ARM中央处理器在对系统功能进行集成化处理，电位控制的过程中，通过集成控制和模糊控制两种控制方法对过程参数信息进行集成，并且在功能要义上，构建起洁净室低功耗的总线控制集成模块。末端设备中，采用敏感传感器实现了对远距离低功耗监控原始信息的采集，并将参数信息嵌入STM32 F101xx中，实现集成化的参数信息处理。

在集成化的信息交互处理中，采用集成化的嵌入控制方法，实现了多端传感器的跟踪融合，构建起了洁净室“远距离低功耗”的通信信息数据端人机交互的端口模块。并且在核心模块开发的过程中，基于PLC及VIX总线模块实现了监控信息参数及控制指令的深度融合，并且采用了ADSP 2101来作为控制系统的核心中枢，实现了“远距离低功耗”的复位控制。

（一）无线信息射频模块设计

无线射频模块参照CC 2530标准来进行开发设计，其深度融合了RF收发器的先进性能。同时依据洁净室不同位置的记录要求，分别安装了32 / 64 / 128 / 256 KB的不同存储模块，进而满足了不同运行模式下的运行存储低能耗要求。

（二）电源模块设计

电源供给是各个节点能够稳定工作的基础，尽管各个参数节点对功耗的要求较低，但是在收发信息的过程中仍旧会消耗30 mA的电流。为更好地适配各个节点的电压要求，系统采用了AS1117—3.3稳压芯片进行稳压，保障系统的运行安全。

（三）节点PCB设计

数据采集模块和数据传输节点采用叠层结构的PCB设计，其结构分为顶层和底层两部分，其中顶层主要是应用于信号层和电源层。而底层部分主要应用于接地和信息传输。在现场布线的过程中，需要深度参照信号和电源的完整性原则进行布线。

（四）ZigBee - NB IoT 网关硬件设计

系统采用ZigBee 和 NB-IoT的异构网络，网关的控制部分为STM 32，并且NB-IoT通讯模块和ZigBee通讯模块分别通过TTL串口和STM 32直接连接，具有更高性能、更高代码密度以及低成本和低功耗的优势，其引脚定义描述信息如表1所示。

（五）ZigBee网络的构建

协调器是ZigBee网络构建的重要汇聚节点，能够逐一地为网络成员分配IP地址，实现了各个节点之间参数关系的深度捆绑。而路由器在洁净室的通讯范围内，能够将其作为父节点来控制其他节点加入或断开网络，为各个节点动态化地分配地址和路由数据转发。同时当ZigBee协调器实时接收到来自STM 32网关的命令参数时，最终将命令信息通过无线射频的端口传输到ZigBee终端。

（六）ZigBee - NB IoT网关端口配置设计

初始化端口链接了各个环境监测传输端口的ZigBee通讯模块，并且串口数据端口连接了NB ╞ IoT通讯单元。其主要步骤为：

第一步，判断NB-IoT网络是否稳定连接；

第二步，开机注册网络并且激活网络；

第三步，配置服务器端口IP地址CoAP地址；

第四步，开启环境监测问答监测信号。

其中，通信模块通过串行端口来进行命令的传送，其中cmd代表发送的命令字符；ack代表的预期的回应数值；wait time代表响应时间，如果回应数值为1代表数据已发送，如果回应数值为0代表数据发送失败；successfully ack代表响应成功。

四、洁净室环境监测系统的功能测试

将整条电路、硬件装置以及软件系统搭建完成后，立即开展了基于自动物联的环境监测系统功能测试，其步骤主要涵盖：1. 在洁净室数据监测系统后台中随机选取三个位置的观测点；2. 实地考察三个位置点，并通过手持参数测量设备记录观测点的温湿度、浮游菌以及悬浮粒子数等参数；3. 依据后台系统内导出的温湿度、浮游菌以及悬浮粒子数进行参数数值的对比，其对比参数的结果如表2所示。

对比表2的数据测试参数可见，监测系统的监测数值与实测数据之间的误差较小，并且符合GMP的要求。因此，监测系统能够准确地反映出洁净室内的环境参数变化，显著提升了洁净室低功耗、远距离的数据监控能力。

参考文献：

［1］ 宁钟灵，刘洋. 洁净室环境监测系统的主要功能确认方法研究［J］. 大众科技，2022，24（07）：1-4.

［2］ 楊文斌，耿洲，潘杰. 智能环境在线监测调控系统在PIVAS洁净室的应用［J］. 中国现代应用药学，2021，38（14）：1770-1775.

［3］ 任杏珠. 医药洁净厂房空调系统确认和环境监测取样点选取探讨［J］. 煤炭与化工，2022，45（01）：144-150.