基于ZigBee的疫苗冷链运输监测系统设计
[摘要]医用疫苗作为一种高风险的生物药品，在其运输过程中，环境状况监测等方面智能化程度不高。针对这种情况设计了一种基于ZigBee的疫苗冷链运输监测系统，此系统以CC2530作为协调器和采集节点组成无线传感网络，再经由协调器把采集的温度、湿度、震动等传感器数据传递给STM32来实时显示疫苗环境状况，最后由STM32采集地理位置信息，然后一并将所有数据和报警信息通过GPRS传输至后台上位机进行全方位监控。经过测试和分析得出，本系统具有低成本，低功耗，组网灵活和实用性强等优点，可以广泛应用于疫苗运输环境监测领域。
[关键词]疫苗；ZigBee；STM32；监测系统；冷链运输
1引言
近年来伴随着我国疫苗接种量的急剧增加，人们对人体接种疫苗的安全问题越来越重视，我国每年疫苗接种量高达7亿，这个数字还在持续增长。疫苗分发到全国各地，绝大多数都会通过道路运输，由于疫苗对周围环境要求较高，运输过程中容易受到温度、湿度的影响，难以保证安全储存。如何实现对疫苗运输过程的安全高效监管，避免接种疫苗受损致使其对人体造成伤害，已经成为当今社会亟待解决的问题。
目前国内外对疫苗运输过程监管的智能化程度不高，有的国家及地区使用了一些智能技术，大多是对整个车厢进行一定的温湿度监控，并没有对每一箱疫苗进行具体的环境监测和记录，并且这些措施缺乏主动的监控预警技术。近年来电子信息技术的快速发展为疫苗的物理运输行业带来了新的契机，利用先进的电子技术设备，可以有效降低接种疫苗在运输过程中的损失，提高其品质。
本课题针对疫苗运输行业的特殊背景和监测需求，设计了一套简洁易用、小型便携、稳定性强的系统圜，用于监测车辆运输状态和记录疫苗环境信息，从技术实现角度为疫苗冷链运输跟踪监测提供一个可测试可优化的解决方案。
2系统整体框架设计
疫苗冷链运输环境监控系统如图1所示，主要由三部分组成：移动监测端、车载显示端、远程监控端。
移动监测端由基于ZigBee的终端节点和协调器组成，ZigBee终端采集节点安装在疫苗存储箱中，主要负责采集运输车厢内每一箱疫苗的环境状况以及环境信息的发送。其环境信息主要包括温度、湿度、震动等。协调器主要负责汇聚所有终端节点传递来的传感器数据并通过串口发送给STM32开发板。车载显示端在车辆驾驶室，主要由STM32嵌入式模块、GPS定位模块以及GPRS无线通讯模块组成，其主要功能是处理通过LCD显示协调器传递过来的环境状态信息以便跟车人员实时知晓，还通过GPS定位模块采集实时地理位置信息，最后把所有环境数据经由GPRS模块发送给远程监控端。远程监控端主要由数据库和上位机软件两部分组成。数据库主要负责储存移动监测端采集的疫苗环境状态数据以及报警信息，上位机软件主要实现疫苗的环境状态信息和報警信息的实时显示，以及历史数据的查询、删除、打印等操作，并通过百度地图实现运输车辆地理位置查询及显示。
3系统硬件设计
系统硬件主要分为ZigBee传感网络模块和STM32显示及采集模块。
3.1终端采集节点设计
ZigBee终端采集节点以及协调器都以TI公司的CC2530F256为核心进行设计，CC2530是针对2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的一个片上系统解决方案，理论上其无线传输距离在0到400m，传输速度最高可达250kbps，其内部集成一颗增强型8051CPU内核和高性能的RF收发芯片，满足了本系统的低功耗和低成本要求。
终端采集节点主要功能是疫苗运输过程中所处环境信息的采集、处理、发送，除此之外终端采集节点还具有报警功能，即当疫苗所处环境异常时主动向协调器发送报警信息，比如车身颠簸过大，疫苗箱内温湿度超过设定的安全阈值等。终端采集节点硬件结构如图2所示。
采集温湿度主要使用DHT22这种高灵敏度数字传感器，其通过单总线方式与CC2530的数字I/O端口PO_I直接相连，通过软件模拟DHT22时序采集温湿度数据。SW-420震动传感器功率小、成本低且灵敏度可调节，能满足系统性能需求，与DHT22一样，SW-420直接与CC2530 PO_6端口相连，通过端口接收到的高低电平判断是否产生震动，但终端节点不用重复采集震动传感器数据，震动传感器只作为报警使用，当疫苗存储箱震动到一定程度时终端节点通过ZigBee网络向车载显示端和远程监控端发送报警提示信息，故在硬件程序中把CC2530 P0_6端口设为中断触发模式，通过中断方式产生震动报警信息。为了便于携带安装，终端采集节点采用5v电池组供电，由于电路中要用到3.3V电压，所以需要5V-3.3V电压转换电路，电压转化芯片使用REGl 17-3.3。此外协调器主要负责接收和发送数据，除了没有传感器模块，其硬件结构与采集节点相同。
3.2车载显示端硬件设计
车载显示端主要采用STM32F767作为处理器，该处理器以Cortex-M7为内核，具有低成本高性能的优势，同时使用与STM32F767配套的7寸RGB液晶显示屏作为显示设备。采集地理位置信息的GPS模块使用U-blox公司生产的低功耗小型化的NEO-7N模块，车载显示端需要把协调器传递来的数据通过GPRS无线网络发送到远程监控端，此次设计中GPRS模块采用SIM800C作为无线发送模块。车载显示端的硬件结构如图3所示，连线中间文字表示通信方式。
为了防止GPRS出现网络故障造成大量数据丢失，故需要将传感数据存储到SD卡中，STM32采用SPI接口与SD卡进行数据交互，并通过移植FAT32文件系统，可以方便快速地读取SD卡中数据。
4系统软件设计
系统软件主要分为采集节点、车载显示和上位机三部分。
4.1终端采集节点软件设计
传感网络通信软件是基于TT公司提供的Z-Stack协议栈进行开发，同时整个开发环境IDE使用IAR工具。
ZigBee采集节点加入网络后，会自动周期性采集数据，其默认采集周期为5min，为了减小误差每次采集7组数据，采用去极值法即去掉最大值和最小值然后取平均值发送，无线发送周期也为5min，当温湿度值超过报警阈值采集周期将自动转换为2min。采集节点还需根据采集的数据自动判断是否发送报警信息，终端采集节点软件流程如图4所示。系统中协调器功能相对简单，主要负责接收采集节点数据和通过串口给STM32发送数据，只需要在Z-Stack协议栈中初始化并使用相关串口即可。
4.2车载显示端软件设计
车载显示端除了要实时直观显示协调器发送来的疫苗环境信息，还要采集车辆地理位置信息，并把地理位置信息和疫苗所处环境信息发送到远程监控端。地理位置信息采集周期为2s与终端采集节点不同，故在车载显示端程序中创建两个线程分开发送疫苗环境状况和地理位置信息。此外当GPRS出现网络故障时要储存数据，当网络恢复时进行数据补传。在STM32F767中是通过FMC接口来控制TFTLCD的显示，FMC即可变存储控制器，这里不做详细表述。从软件层面讲使用FMC非常方便，只需在程序中初始化FMC的时钟和接口读写参数等，WR（写）、RD（读）、DB0-DBl5这些控制线和数据线，将都会由FMC自动控制。车载显示端总体软件流程如图5所示。
4.3上位机软件设计
上位機软件主要负责将远程传递来的传感器数据和地理位置信息进行解析，然后可以直观清楚的在监控界面上观测疫苗运输车的地理位置，以及车厢内每箱疫苗的温度、湿度和疫苗储存箱震动情况。本文采用了QT这种图形用户界面应用开发框架来设计上位机监控软件，其软件总体框架如图6所示。
4.3.1人机界面。基于用户思维和工作模式，人机界面的主要特点体现在友好性、交互性和灵活性。因此在软件设计中加入了详细的软件操作流程和提示，此外为防止数据被意外的删除和篡改，在软件操作中加入了回滚机制和用户权限限制。为了使数据在监控页面上更加生动和直观，把监控页面分为疫苗状态窗口和地图定位窗口，在数据查看模块中通过设计智能分析功能可以对所记录的数值以图文表的形式输出，这些都极大地方便了管理人员的分析和管理，能客观真实反映记录过程。
4.3.2地理位置信息提取及地图显示。系统中采用的NEO-7N定位芯片遵循NMEA-0183协议，每帧数据采用ASCII码来传递定位信息。每串数据以“$”起始，以回车换行结束。中间用“，”分割不同的数据内容。STM32采集GPS数据后根据NMEA-0183协议定义的数据格式提取出经度和纬度。并把判定为有效的定位状态（A：定位状态有效，V：定位状态无效）以“N-纬度，E-经度”的数据格式发送到上位机。
为了遵循国家对地理信息保密要求，所有电子地图提供商都必须给地图数据加上偏移量和加密。所以上位机需要将GPS采集的原始坐标转换成百度地图坐标。百度地图免费为广大消费者提供了丰富的API接口，其坐标转换API接口分为单个坐标转换接口和批量转换接口，由于系统中需要同时显示多辆运输车辆的地理位置，故使用BMap.Convertor.transMore接口函数进行批量坐标转换。在QT中嵌人百度地图的过程是：首先获取到百度地图的api key，先调用百度地图，其次在QT界面上集成一个WebKits/Web-View控件，让Qt和Javascfipt进行交互，然后在网页源码中实现操作及其功能。其网页源码中的显示流程如图7所示。
5系统测试
系统设计完成之后，对整个系统进行了测试，移动监测端采用8个ZigBee终端采集节点和一个ZigBee协调器，终端采集节点放在设计好的冷藏箱中并把冷藏箱放在一辆运输车厢里面。车载显示端所有硬件及显示设备放在车辆驾驶室固定位置，并通过串口线和车厢内协调器相连。此次测试通过人为方式使7号冷藏箱和8号冷藏箱产生异常情况的方式来检验报警功能。测试结果表明，系统温度误差范围为±0.5℃，湿度误差范围为±2%RH，报警信息反馈及时，定位精度为5m，且锂电池供电的终端采集节点可以连续工作180个小时以上。远程监控端能同步收到数据信息，上位机监控软件实时监测情况如图8所示。综合所有测试结果，经过分析表明本系统能满足疫苗冷链运输过程中的状态监测需求，但也还存在一些不足，例如上位机软件比较简洁，友好性不够，这些都还需进一步提高和完善。
6结束语
本文设计的基于zigBee的疫苗冷链运输环境监测系统，利用传感器，zigBee的无线自组网和GPS全球定位系统实现了对医用疫苗运输过程中的全方位实时监测，再加上远程监测中心，可以有效的降低疫苗物流运输过程中的损失和疫苗受损所带来的危害，有很重要的现实使用价值。
