黃永紅，成小東，吳紅生

（江蘇大學 電氣信息工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

隨著現代生物工程技術的發(fā)展，細胞工程涉及的基本技術也在不斷地進步。動物細胞培養(yǎng)作為細胞工程的重要類別之一，其在藥物生產方面具有重要價值。懸浮培養(yǎng)方式具有細胞增殖快、生產效率高等優(yōu)勢，成為當前工業(yè)生產疫苗的主流技術，以動物細胞懸浮培養(yǎng)技術為基礎的生物制藥產業(yè)得到了迅速發(fā)展[1]。動物細胞培養(yǎng)過程是一個復雜的生物化學過程，涉及細胞的生長、繁殖和代謝，是一個典型的多變量、非線性、強耦合的工業(yè)過程[2]。對于這樣一個復雜的過程，若操作不當，將會造成巨大的經濟損失。因此，實現對動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的實時監(jiān)控，具有非常重要的現實意義。

近年來，嵌入式技術已普遍應用于汽車、航空、智能家居等領域以及各種電子產品中。嵌入式圖形用戶界面GUI為嵌入式系統(tǒng)提供了一種簡便、直觀的人機交互接口，使用戶可以方便的使用嵌入式產品[3-4]。通信和網絡技術的迅速發(fā)展使得無線通信技術獲得普遍應用，GPRS網絡就是其中一種無線通信網絡，覆蓋范圍廣，數據傳輸速度快，通信質量高[5]。在此，采用ARM-Linux嵌入式技術和GPRS無線通訊技術，組建了遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計方案

針對動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用QT/Embedded進行嵌入式GUI的開發(fā)，控制系統(tǒng)將現場采集的數據傳送到遠程監(jiān)控中心，遠程監(jiān)控中心將采集到的數據進行實時存儲、分析，當環(huán)境參數出現異常時發(fā)出報警信號，管理人員選擇相應操作，從而實現對培養(yǎng)過程的遠程控制。

該系統(tǒng)整體結構如圖1所示，系統(tǒng)分為現場嵌入式監(jiān)測終端和遠程監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)的整體結構Fig.1 Overall structure of system

在生產現場下位機（ARM）控制系統(tǒng)采用相應的傳感器在線檢測反應器內溫度、pH值、溶解氧以及攪拌電機轉速等環(huán)境參數，然后控制系統(tǒng)實時控制各執(zhí)行機構的動作，從而達到控制動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的目的。

上位機（PC）監(jiān)控系統(tǒng)軟件在遠程監(jiān)控中心運行，可以實時顯示反應器內的溫度、pH值、溶解氧和攪拌電機轉速等環(huán)境參數，如果環(huán)境參數值超過限定值，則系統(tǒng)發(fā)出報警信號，并通知管理人員，通過監(jiān)控界面可以直觀地觀測到反應器內各參數的變化情況。當需要對環(huán)境參數進行查詢時，監(jiān)控中心通過向生產現場發(fā)送查詢數據包，S3C2440處理器會解析到達的查詢數據包，將傳感器采集到的數據傳回遠程監(jiān)控中心。另外，監(jiān)控軟件具有存儲功能，便于管理人員日后查看分析，實現了對動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的數字化控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

下位機控制系統(tǒng)的硬件平臺，主要由微處理器模塊（CPU）、存儲器模塊、GPRS無線傳輸模塊、傳感器采集模塊、LCD顯示模塊、JTAG調試接口及串口等部分組成。所設計的動物細胞懸浮培養(yǎng)過程數字控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件原理Fig.2 Hardware principle

現場監(jiān)測終端采用ARM9處理器，通過GPRS無線傳輸模塊連接到GPRS網絡，然后連接到遠程監(jiān)控中心的計算機，從而實現數據的遠程傳輸。存儲器模塊用于存放調試好的應用程序和嵌入式Linux操作系統(tǒng)以及采集到的數據，傳感器模塊用于采集反應器內環(huán)境參數的數據，LCD顯示模塊用于顯示系統(tǒng)的相關信息，JTAG接口用于編程人員仿真調試程序。

2.1 微處理器

系統(tǒng)采用Samsung 公司的S3C2440微處理器[6]作為數字控制單元。該芯片是以ARM920T為核心、擁有1個16/32位RISC的微處理器，主頻可達400 MHz，低功耗、高性能，具有豐富的片上資源，在開發(fā)的過程中可以有效減少外圍的設備部件，降低系統(tǒng)的成本，縮短開發(fā)周期。

2.2 數據檢測與控制模塊

在生產現場對環(huán)境參數的檢測和控制是實現數字化控制系統(tǒng)的關鍵，數據的檢測由溫度傳感器、pH電極、溶氧電極和電機測速元件等組成，將這些模塊的輸出信號統(tǒng)一轉換成電壓信號，然后用1片CD4051作為多路選擇開關對電信號進行選擇，最后使用增益放大器AD526調節(jié)模擬電壓信號幅度，經模數轉換器ADC進行模數轉換后送入S3C2440。S3C2440的CMOS模擬數字轉換器ADC可接收8個通道的模擬信號輸入，并將其轉換為10位二進制數據，在2.5 MHz的A/D轉換器時鐘下，最大轉換速率可達500 kS/s[7]，可以滿足系統(tǒng)要求。

控制部分由溫度控制、pH控制、溶解氧控制、攪拌電機轉速控制和補料控制等組成。溫度控制通過電磁閥進行加熱冷卻的控制，當反應器內溫度高于（或低于）某個設定值時，系統(tǒng)開啟冷卻水電磁閥（或開啟加熱器），以達到對反應器內溫度的控制。pH控制通過pH電極與蠕動泵的聯(lián)動來控制酸堿的加入，當pH值大于設定值時，系統(tǒng)開啟加酸蠕動泵進行調節(jié)；當pH值小于設定值時，則啟動加堿蠕動泵。

影響溶解氧濃度的因素主要有供給的空氣量、攪拌電機轉速和發(fā)酵罐壓力，可以通過調節(jié)無菌空氣的加入速度和攪拌速度來進行溶氧控制。消泡控制由消泡電極和添加消泡劑的蠕動泵組成，當消泡電極檢測到泡沫過多，則開啟蠕動泵，以一定的流量加入消泡劑。補料控制由添加營養(yǎng)液的蠕動泵組成。為避免系統(tǒng)故障，對環(huán)境參數的控制也可采用手動方式。

2.3 GPRS通信模塊

通信模塊是整個系統(tǒng)的關鍵，它為現場監(jiān)測終端與遠程監(jiān)控中心之間建立通訊鏈路并為數據的傳輸與通信的暢通提供可靠保證。常用的無線通信技術中，藍牙、紅外、WiFi及ZigBee等技術均應用于短距離傳輸[8]，而本控制系統(tǒng)用于遠程監(jiān)控，需要有遠程通信的網絡。GPRS可以在移動用戶與遠端的數據網絡之間提供一種連接，用GPRS進行數據傳輸具有永遠在線、快捷登陸、高速傳輸、按流量計費等優(yōu)點。

本系統(tǒng)選用內置TCP/IP協(xié)議的GTM900-C模塊[9]，利用基于TCP/IP協(xié)議的數據透傳功能進行數據遠程傳輸。該模塊為華為公司的GPRS模塊，支持上行42.8 kb/s和下行85.6 kb/s的最大數據傳輸速率，GTM900-C通過UART接口與S3C2440處理器進行通信，數據的無線發(fā)送和接收、基帶信號以及音頻信號的處理等功能都是通過AT命令集來實現的。GTM900-C不僅支持MO和MT、點對點和小區(qū)廣播、TEXT和PDU短消息等消息功能，而且支持PPP，UDP，TCP/IP的GPRS數據傳輸功能，語音業(yè)務支持FR，EFR，HR和AMR的語音編碼，完全適合本設計所要求的GSM短消息、GPRS數據傳輸以及遠程中心通信的實時可靠的設計要求。GTM900-C的接口電路原理如圖3所示。

圖3 GTM900-C接口電路原理Fig.3 Principle of GTM900-C interface circuit

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括了操作系統(tǒng)軟件設計和應用程序軟件設計。操作系統(tǒng)軟件設計又包括引導裝載程序BootLoader、Linux內核、各種設備驅動程序和文件系統(tǒng)。應用層軟件通過應用程序編程接口API與系統(tǒng)層進行信息交互，系統(tǒng)層則通過設備驅動程序控制S3C2440設備與其他外設。系統(tǒng)軟件的層次結構如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件層次結構Fig.4 System software hierarchy

（1）BootLoader是在操作系統(tǒng)內核之前運行的一段小程序，類似于Windows系統(tǒng)啟動前的BIOS程序。嵌入式系統(tǒng)通過這段小程序，可以初始化硬件設備，建立內存空間的映射圖，從而將軟硬件帶到一個合適的狀態(tài)，為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。

（2）Linux內核是整個嵌入式軟件的核心，負責管理系統(tǒng)的進程、內存、設備驅動程序、文件和網絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。內核以獨占的方式執(zhí)行最底層任務，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)內核屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個備份文件，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作[10]。

（3）QT/Embedded是挪威Trolletch公司的圖形化界面開發(fā)工具QT的嵌入式版本，通過Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互，擁有較高的運行效率，整體采用面向對象編程，擁有良好的體系架構和編程模式。

結合動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的實際情況，該控制系統(tǒng)主要完成以下功能：下位機完成環(huán)境參數（反應器內溫度、pH值、溶解氧和攪拌電機轉速等）的采集和處理后，通過GPRS無線模塊GTM900-C將現場數據與遠程中心連接，并實時傳送到遠程數據庫服務器，然后由遠程上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行實時顯示；上位機對參數進行設置并通過控制下位機實現對培養(yǎng)過程的控制，上位機中通過操作圖形界面及多層菜單，能夠選擇各種操作功能，包括設置限定值、顯示過程數據、查看歷史數據等。下位機控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

4 監(jiān)控界面設計

圖5 下位機控制系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)流程Fig.5 Flow chart of lower computer control system and upper computer monitoring system

在遠程監(jiān)控中心應用程序的開發(fā)環(huán)境為QT，它能在桌面與嵌入式平臺上開發(fā)先進的GUI應用程序，實現所需要的功能，QT以其友好的圖形界面、優(yōu)良的跨平臺的特性以及良好的信號與槽機制，廣泛應用于工控領域GUI設計。QT/Embedded是專門用于嵌入式開發(fā)平臺上的QT嵌入式版本，具有優(yōu)良的跨平臺特性；模塊化程度高、封裝性好，便于重用；豐富的API；支持2D/3D圖形渲染，支持OpenGL等[11]。

數據監(jiān)控中心通過GPRS數據傳輸單元DTU接入中國移動的GPRS網絡。GPRS DTU是專門用于將串口數據通過GPRS網絡進行傳送的GPRS無線設備，其內部封裝了PPP撥號協(xié)議和TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，具備GPRS撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能。

在GPRS DTU中放入1張SIM卡，DTU上電后先注冊到GPRS網絡，然后與數據中心建立連接，GPRS DTU自帶自動心跳功能，能夠保持通信連接一直存在而不被斷開[12]。連接成功后，系統(tǒng)進入數據透傳模式，遠程監(jiān)控中心的管理人員通過對所監(jiān)測的環(huán)境參數進行分析，根據需要使用監(jiān)控軟件通過GPRS網絡向下位機發(fā)送相應的操作命令，下位機收到由監(jiān)控中心發(fā)來的命令后，調用相應的驅動函數執(zhí)行相應的操作，實現了對動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的遠程控制。

本質上DTU和數據監(jiān)控中心建立的連接是SOCKET連接，QT中提供的SOCKET完全使用類的封裝機制，采用QT本身的信號與槽機制，管理人員無需接觸底層的各種操作，非常直觀。遠程監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主界面Fig.6 Monitor main interface

動物細胞懸浮培養(yǎng)過程監(jiān)控主界面實時顯示生產現場環(huán)境參數的數據，可以選擇手動控制和自動控制，還可以完成參數設置、查看報警記錄、歷史曲線等操作。圖7所示為系統(tǒng)的控制回路界面，可以對環(huán)境參數進行控制。圖8所示為pH值的歷史曲線，便于管理人員進行數據分析。

圖7 控制界面Fig.7 Control interface

圖8 歷史曲線Fig.8 Historical curve

5 結語

結合嵌入式系統(tǒng)技術、GPRS無線通信技術、現代檢測和傳感技術可以實現嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)。動物細胞懸浮培養(yǎng)過程遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRS無線通信方式實現了對動物細胞懸浮培養(yǎng)過程的遠程控制，在生產現場下位機控制系統(tǒng)選擇具有較強實時處理能力的嵌入式微處理器S3C2440作為數字控制器，在遠程監(jiān)控中心上位機監(jiān)控系統(tǒng)基于QT/Embedded開發(fā)。控制系統(tǒng)可實時監(jiān)控現場的環(huán)境參數和控制各個執(zhí)行機構的狀態(tài)，方便管理人員分析和控制，提高了動物細胞懸浮培養(yǎng)過程自動化水平，節(jié)省了大量的人力和物力，具有廣闊的應用前景。

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