/ .上海市計量測試技術(shù)研究院；.上海冷王智能科技有限公司；.上海市疾病預(yù)防控制中心；.中國計量大學(xué)

0 引言

近年來，國內(nèi)外重大疫苗的安全事件頻發(fā)，無時無刻不牽動著公眾和媒體敏感的神經(jīng)。眾所周知，疫苗必須在一定的低溫環(huán)境中儲存和運輸（凍干疫苗貯運保存條件是-15 ℃，滅活疫苗2～8 ℃保存）。如果超出這個溫度范圍，高溫會使疫苗特別是活疫苗效價迅速降低，或使蛋白質(zhì)變性，疫苗也隨之失效。疫苗制品與一般藥品不同，其臨床藥效往往取決于藥品的生物活性，而溫度的變化可能對其造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，有可能導(dǎo)致疫苗失效以及預(yù)防接種安全問題。2016年“億元疫苗未經(jīng)冷藏流入18省份”的事件成為公共衛(wèi)生領(lǐng)域的公眾關(guān)注焦點，其波及范圍和社會影響相比較之前的任何藥品安全事故，都有過之而無不及。此次事件充分說明疫苗保存及配送過程中溫度保持的重要性。

如何實現(xiàn)疾病預(yù)防控制中心系統(tǒng)各級疫苗管理單位的冷鏈實時監(jiān)測，已經(jīng)成為衛(wèi)計委等相關(guān)部門非常關(guān)注的課題。因此，保證疫苗冷鏈各個環(huán)節(jié)的可靠性，是預(yù)防接種工作順利進行的重要保障。

溫度監(jiān)測探頭的遠(yuǎn)程計量技術(shù)采用了物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和數(shù)字式溫濕度計現(xiàn)場計量技術(shù)，其便捷性和準(zhǔn)確性對于冷鏈監(jiān)管有著極其重要的影響。目前隨著疫苗冷鏈溫度監(jiān)測的大規(guī)模實施，物聯(lián)網(wǎng)云平臺技術(shù)的數(shù)字式溫度傳感探頭的使用越來越廣泛，數(shù)量越來越多。冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)的不可間斷性、不可移動性、不可大規(guī)模替換等特性，如何快速準(zhǔn)確地保證每個設(shè)備的準(zhǔn)確計量給計量工作者帶來了很大的挑戰(zhàn)。

1 疫苗冷鏈溫濕度監(jiān)測方案

研發(fā)方案歸納為三個部分和一個環(huán)節(jié)。三個部分指：

1）集溫濕度采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏貪穸葯z測探頭；

2）集實時監(jiān)測、聲光報警、無線傳輸于一體的、能獨立工作的監(jiān)測基站；

3）作為設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程計量的互聯(lián)網(wǎng)疫苗溫度監(jiān)測軟件平臺。

一個環(huán)節(jié)指：監(jiān)測端通過穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡(luò)，將冷鏈設(shè)備的監(jiān)測信息以安全加密的方式實時傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺。見圖1。

圖1 方案示意圖

該解決方案體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)（監(jiān)測終端硬件與冷鏈設(shè)備的物物相聯(lián)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)）和云計算（監(jiān)測平臺作為云端，提供數(shù)據(jù)的接收、儲存、分析和抗災(zāi)難數(shù)據(jù)備份等功能）在疫苗冷鏈監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景，打造出疫苗冷鏈溫度監(jiān)測的“金鏈工程”。

2 設(shè)計方案

2.1 檢測探頭

集溫度采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測探頭，又稱溫度傳感器模塊，包含溫度采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊三大子模塊。溫度采集模塊用于高精度的溫度采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于將溫度等數(shù)據(jù)信息傳送至云端以及多個溫度傳感器之間的組網(wǎng)。

為實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的溫度測量，選用熱敏電阻作為溫度傳感器。為解決由于引線帶來的測量誤差問題，采用四線制接線法，將溫度引起的阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓變化量輸出，經(jīng)過低噪聲放大器和24位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

雖然，市場上有類似的溫度傳感器，但新研制的溫度傳感主要采用：（1）ATMEGA128單片機作為控制器，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。（2）用24位高精度AD轉(zhuǎn)換器，并配合穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源，實現(xiàn)熱敏電阻溫度電壓的高精度采集。（3）進行精心的PCB布板，保證溫度測量的準(zhǔn)確度。測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理圖

2.2 監(jiān)測基站

集實時監(jiān)測、聲光報警、無線傳輸于一體的、能獨立工作的監(jiān)測基站包括閱讀器、與溫濕度傳感器應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)、無線傳輸模塊，GPS傳輸模塊等部分。

本文采用 RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)通過GPRS信道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_數(shù)據(jù)庫。RFID是一項易于操控，簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，可自由工作在各種惡劣環(huán)境下。

閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。

無線傳輸模塊選用GPS無線通信技術(shù)。

2.3 溫度監(jiān)測軟件平臺

該平臺作為設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程計量的互聯(lián)網(wǎng)疫苗溫度監(jiān)測軟件平臺。

所研究編制的軟件包括設(shè)備識別、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存貯等模塊，還具備各種數(shù)據(jù)查詢、傳感器校準(zhǔn)等功能。

溫度監(jiān)測軟件平臺（云計量系統(tǒng)）示意圖如圖3所示。

圖3 云計量系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)原理是無線溫度探頭與標(biāo)定儀器通過RFID技術(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)通過GPRS信道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫，云計算平臺通過自動對比標(biāo)定系統(tǒng)進行自動標(biāo)定。這一系統(tǒng)可以涵蓋不同的流通環(huán)節(jié)，方案包括“倉儲環(huán)節(jié)冷鏈監(jiān)測解決方案”和“物流環(huán)節(jié)冷鏈監(jiān)測解決方案”。冷鏈監(jiān)測平臺實現(xiàn)了全程冷鏈不間斷的監(jiān)測和管理。

這一系統(tǒng)的關(guān)鍵在于安全性，云平臺的系統(tǒng)安全性結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 云平臺的系統(tǒng)安全性結(jié)構(gòu)示意圖

第一層是冷鏈云計算網(wǎng)絡(luò)安全層：主要是在計算機環(huán)境、計算機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)安全和病毒檢測方面來保護系統(tǒng)的安全。

第二層是冷鏈軟件訪問安全層：用來控制用戶對系統(tǒng)的訪問。需要應(yīng)用系統(tǒng)對訪問的用戶進行用戶合法性驗證，并且控制用戶登錄的規(guī)則。為了避免攻擊者通過反復(fù)測試，破解用戶密碼，應(yīng)用系統(tǒng)需要根據(jù)登錄用戶的來源以及時間連續(xù)性進行安全性判斷。

第三層是應(yīng)用權(quán)限安全層：是控制進入系統(tǒng)合法用戶的行為范圍。應(yīng)用系統(tǒng)需要對登錄系統(tǒng)的用戶權(quán)限進行設(shè)定，在用戶登錄系統(tǒng)之后，只將用戶可以使用的功能開放出來給用戶使用，從而達到控制用戶行為范圍的目的。

第四層是用戶行為安全層：從系統(tǒng)的安全性來說，需要記錄用戶使用系統(tǒng)提供功能的行為。這一層主要是保證合法用戶使用合法功能的行為安全。它的內(nèi)容主要有：日志記錄行為記賬和數(shù)據(jù)簽名防抵賴等。

第五層是常規(guī)的數(shù)據(jù)安全控制層。數(shù)據(jù)庫采用“云數(shù)據(jù)庫RDS”解決方案。因為云數(shù)據(jù)庫RDS（ApsaraDB for RDS）是一種穩(wěn)定可靠、可彈性伸縮的在線數(shù)據(jù)庫服務(wù)?；陲w天分布式系統(tǒng)和全 SSD 盤高性能存儲，支持 MySQL、SQL Server、PostgreSQL和PPAS（高度兼容Oracle)引擎，默認(rèn)部署主備架構(gòu)且提供了容災(zāi)、備份、恢復(fù)、監(jiān)控、遷移等方面的全套解決方案。

3 功能的實現(xiàn)和技術(shù)指標(biāo)

3.1 實時冷鏈數(shù)據(jù)顯示功能

可實時查詢冰箱溫度數(shù)據(jù)、冷鏈?zhǔn)褂脿顟B(tài)、工作狀態(tài)、冷鏈設(shè)備監(jiān)控情況、冷鏈監(jiān)測設(shè)備數(shù)量、冷鏈監(jiān)測單位數(shù)量等；溫度數(shù)據(jù)可定義刷新頻率。

3.2 冷鏈管理GIS地理信息功能

單位的地圖分布情況，可以查詢單位的具體分布信息，便于上級單位統(tǒng)一管理。

3.3 報警功能

可以設(shè)置時間區(qū)間查詢冷鏈設(shè)備（或單位）高溫報警次數(shù)、低溫報警次數(shù)、斷電報警次數(shù)等，并顯示該冷鏈報警是否被處理。

3.4 處理功能

通過平臺可以對冷鏈報警信息進行處理，報警處理人員、報警時的溫度狀態(tài)、處理的措施、報警的類型、報警處理時間等事件因素進行備案。

3.5 查詢功能

可以設(shè)置時間間隔、設(shè)備編號，查詢該設(shè)備某段時間的溫度數(shù)據(jù)、該數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出備案；可查詢該設(shè)備的歷史時間段的溫度曲線圖，通過溫度曲線圖分析冷鏈設(shè)備的運行狀態(tài)。

3.6 其他功能

歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能、月度報表打印功能、人員登錄管理日志功能、操作人員的登錄日志系統(tǒng)自動備案，便于管理人員查詢基層人員是否登錄該系統(tǒng)，便于領(lǐng)導(dǎo)管理。

3.7 評估功能

1）可根據(jù)報表綜合評估單位的冷鏈管理水平，評估的因素包括：人為造成的報警、未及時處理的報警、報警總數(shù)、登錄平臺的次數(shù)。通過建立冷鏈管理數(shù)據(jù)模型，綜合評估每個單位的冷鏈管理水平。

2）冷鏈設(shè)備綜合評估：通過密集的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測，并采用數(shù)據(jù)方差的原理，對冷鏈設(shè)備的制冷性能、保溫性能進行綜合評估，給基層購買冰箱提供參考依據(jù)。

3.8 溫濕度傳感器的性能和技術(shù)指標(biāo)

讀寫距離應(yīng)達到10～15 m或以上；

測溫準(zhǔn)確度+0.3 ℃；

記錄間隔 2～9 999 s可設(shè)置；

數(shù)據(jù)儲存能力需具備存儲10 000條；

電池工作時間應(yīng)大于3 a；

能實現(xiàn)無線自動讀取溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通信須加密保證安全；

溫度標(biāo)簽自動監(jiān)控；

電池缺電報警功能。

工作范圍：溫度探頭的測量范圍-40～85 ℃；

3.10 冷鏈采集終端的性能和技術(shù)指標(biāo)

防護等級：IP54以上；

讀寫范圍：空曠范圍達到30～50 m；

探頭可以存儲10 000條溫度數(shù)據(jù)；

探頭能夠顯示設(shè)備的工作狀態(tài)；

電源：電池使用壽命至少3 a；

終端有USB接口，可以通過該接口升級冷鏈終端設(shè)備；

傳感器采集間隔 10～ 3 600 s可設(shè)；

數(shù)據(jù)存儲時間間隔1～600 min可設(shè)；

數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器時間間隔300～43 200 s可設(shè)；

具有聲光報警，聲音可以關(guān)閉功能；

每個溫度通道可以設(shè)置獨立的溫濕度閥值；

傳感器數(shù)據(jù)可以來自本地，也可以來自其他設(shè)備，配置靈活；

WIFI、GPRS和RFID的通信功能；

可對記錄儀的數(shù)量靈活設(shè)置，至多可以設(shè)置6路通信通道；

可對記錄儀程序進行遠(yuǎn)程升級數(shù)據(jù)存儲、查詢；

支持U盤存儲，用于將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出和程序升級等用途；

在設(shè)備上可以通過時間、通道、是否是報警數(shù)據(jù)等條件進行查詢和顯示。

4 現(xiàn)場計量的方法與可靠性

4.1 等溫塊等溫技術(shù)

醫(yī)用冰箱為了維持有效容積內(nèi)的溫度值處于要求范圍內(nèi)，需要間歇式地補充冷量，一般為每小時3次左右，補充冷量的過程就會導(dǎo)致空間內(nèi)的溫度波動，導(dǎo)致測量不確定度增加，誤差加大；被校溫濕度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)器溫濕度響應(yīng)時間不同，靈敏度不同，均會增加測量的不確定性；為了避免溫度波動導(dǎo)致測量結(jié)果受到影響，初步考慮采用鋁制等溫塊，能很好地解決溫度的不均勻性，待等溫塊放置在冰箱內(nèi)一定時間后達到一個穩(wěn)定的溫度，又解決了響應(yīng)時間不一致的問題。

4.2 云平臺大數(shù)據(jù)處理

標(biāo)準(zhǔn)器與被校設(shè)備的數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)中繼器傳送至終端服務(wù)器，通過大數(shù)據(jù)處理技術(shù)同時對多組多數(shù)據(jù)進行同時處理，分析被校設(shè)備是否滿足冷鏈監(jiān)管體系提出的技術(shù)要求。

4.3 可靠性驗證技術(shù)

通過抽取部分現(xiàn)場監(jiān)控的溫度傳感器，送至第三方溫度研究室校準(zhǔn)，比對云計量技術(shù)結(jié)果與實驗室校準(zhǔn)結(jié)果的誤差，以此驗證云計量的可靠性。

5 實驗驗證

5.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

實驗數(shù)據(jù)采用了廣泛使用的醫(yī)用冷藏箱及配備的溫度傳感器作為被監(jiān)測對象，使用經(jīng)實驗室校準(zhǔn)過的溫濕度傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)器。

實驗數(shù)據(jù)分為使用等溫塊和不使用等溫塊兩部分，因此采集分析了大量實驗數(shù)據(jù)，整理為圖5、圖6。

圖5 采用等溫塊的實驗數(shù)據(jù)分析

圖5顯示，標(biāo)準(zhǔn)器的全部實驗數(shù)據(jù)算術(shù)平均值為6.48 ℃，在0～10 ℃內(nèi)無需修正；被測溫度傳感器全部實驗數(shù)據(jù)算術(shù)平均值為6.41 ℃，計算得到溫度傳感器示值誤差-0.07 ℃，其分辨力為0.1 ℃，故其示值誤差為-0.1 ℃。

圖6 未采用等溫塊的實驗數(shù)據(jù)分析

圖6顯示，標(biāo)準(zhǔn)器的全部實驗數(shù)據(jù)算術(shù)平均值為6.41 ℃，在0～10 ℃內(nèi)無需修正；被測溫度傳感器全部實驗數(shù)據(jù)算術(shù)平均值6.69 ℃，計算得到溫度傳感器示值誤差0.28 ℃，其分辨力為0.1 ℃，故其示值誤差為0.3 ℃。

通過直觀觀察圖5、圖6，可知采用等溫塊的實驗數(shù)據(jù)分析曲線(圖5)更加平緩、標(biāo)準(zhǔn)器與被測傳感器之間一致性更好，等溫塊有效地解決了標(biāo)準(zhǔn)與被測之間響應(yīng)時間、靈敏度不同等引入的問題，模擬了更加接近實驗室的計量環(huán)境。

5.2 實驗室數(shù)據(jù)驗證

將被測設(shè)備送至上海市計量測試技術(shù)研究院溫濕度研究室進行計量，按照實驗室操作手冊的要求對其進行計量，計量結(jié)果如表1所示。

表1 實驗室計量結(jié)果

圖5、圖6實驗數(shù)據(jù)與表1進行綜合分析，采用等溫塊的實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果：示值誤差-0.1 ℃，未采用等溫塊的實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果：示值誤差0.3 ℃，送檢至實驗室計量的計量結(jié)果顯示在6～7 ℃時，儀器示值誤差-0.1 ℃。三者數(shù)據(jù)進行對比，采用等溫塊進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)計量，能夠比較好地反應(yīng)出被檢溫度傳感器的計量性能。

6 結(jié)語

這個系統(tǒng)經(jīng)過多年研制，已在部分醫(yī)院試用。疫苗冷鏈設(shè)備已納入24 h實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。對于疫苗冷鏈的管理帶來以下好處：1）實時監(jiān)測，確保安全疫苗在規(guī)定溫度內(nèi)；2）數(shù)據(jù)無人為因素，真實可靠，便于監(jiān)管；3）操作簡單，便于提升管理水平；4）全程疫苗冷鏈可追溯。最重要的是為提高食品藥品安全和社會穩(wěn)定開拓一條技術(shù)新路，為遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等量傳溯源新技術(shù)進行探索性嘗試，為計量測試如何運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供新的方法、新的思路。

當(dāng)然，由于溫度遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與現(xiàn)行傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法有所差異，需要根據(jù)實際冷鏈監(jiān)管體系制定新的校準(zhǔn)方法或規(guī)范，進行合規(guī)合法的操作。疫苗冷鏈溫度監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成熟，但云計量平臺的技術(shù)還有待進一步提高，溫度采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性還有待進一步研究。

從“國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃”“計量發(fā)展規(guī)劃（2013-2020年）”的要求來看，不斷提高食品藥品等直接影響城市安全和社會穩(wěn)定的各個領(lǐng)域的檢測技術(shù)和科研能力；研究遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等量傳溯源新技術(shù)，以滿足產(chǎn)業(yè)新技術(shù)對計量檢測技術(shù)和方法提出的新需求，本項目研究具有非常重要的意義。