/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

環(huán)境試驗設(shè)備是模擬自然氣候環(huán)境的重要設(shè)備，包括高低溫試驗箱、恒溫恒濕箱、培養(yǎng)箱、冰箱、藥品保存箱等。環(huán)境試驗設(shè)備的溫濕度校準是判斷環(huán)境試驗設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)的重要保障。為確保環(huán)境試驗設(shè)備檢測數(shù)據(jù)準確可靠，校準需在設(shè)備運行穩(wěn)定后進行，整個檢測過程用時1.5～2 h左右。為保證設(shè)備工作環(huán)境穩(wěn)定，檢測過程中不能開合箱門。因而在工作時間內(nèi)對醫(yī)療單位的環(huán)境試驗設(shè)備（如培養(yǎng)箱、干燥箱等）的檢測，將嚴重影響到醫(yī)療檢驗機構(gòu)的正常運營，越來越多的客戶提出了夜間等非工作時間對設(shè)備進行校準的要求[1，2]。隨著上?？苿?chuàng)中心的建設(shè)、醫(yī)療非強檢設(shè)備校準工作的開展，環(huán)境試驗設(shè)備的溫濕度校準工作量逐年增加，具有數(shù)據(jù)自動記錄分析功能的便攜式環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)亟待研發(fā)。

前期已開發(fā)環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度傳感器，裝置采用ANT Wireless 通信技術(shù)，將溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至溫濕度接收節(jié)點[3]。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合校準實際需求，自主開發(fā)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，設(shè)計基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)?？蓪貪穸葌鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)進行分析處理，同時兼顧溫濕度傳感器遠程控制管理的功能。Spring Boot屬于Java平臺的一種開源應(yīng)用框架，集成大量的框架模塊，確保兼容性的同時節(jié)省了大量開發(fā)時間[4-6]。系統(tǒng)兼顧主要校準規(guī)程、國家標準，可同時為20臺以上環(huán)境試驗設(shè)備進行遠程溫濕度檢測校準。

1 軟件

1.1 整體架構(gòu)

基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)，具有遠程溫濕度數(shù)據(jù)信號接收功能、發(fā)送功能、數(shù)據(jù)分析功能、數(shù)據(jù)處理功能及數(shù)據(jù)記錄功能。系統(tǒng)與遠程溫濕度傳感器間采用無線網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸及控制。各溫濕度傳感器將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器主機，基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)讀取服務(wù)器中存儲的數(shù)據(jù)，并可進行實時觀測、數(shù)據(jù)處理分析。通過系統(tǒng)，可以控制遠程溫濕度傳感器的開關(guān)、測試間隔、測試時長，同時具有數(shù)據(jù)超范圍報警功能，方便檢測人員監(jiān)督。環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)是檢測人員與遠程溫濕度傳感器之間的橋梁，可同時控制300個遠程溫濕度傳感器，同時為20臺以上環(huán)境試驗設(shè)備進行檢測校準，可滿足7×24 h不間斷檢測需求。根據(jù)不同的校準規(guī)范、國家標準，系統(tǒng)自動選擇不同的測試數(shù)據(jù)及計算方法，對數(shù)據(jù)進行處理分析，得出校準、測試結(jié)果。如圖1所示。

圖1 溫濕度檢測平臺構(gòu)成

基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)將超文本標記語言（html）直接植入網(wǎng)頁，通過網(wǎng)頁界面直接登錄訪問，兼容計算機和手機的主瀏覽器登錄，不占本地內(nèi)存。軟件采用Spring Boot框架結(jié)構(gòu)，可以簡化新Spring應(yīng)用的初始搭建及開發(fā)過程。將通過監(jiān)聽串口收到的溫濕度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用戶通過網(wǎng)頁訪問數(shù)據(jù)庫，瀏覽、分析處理數(shù)據(jù)，如圖2所示。基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)分為登錄界面、數(shù)據(jù)概覽界面、傳感器監(jiān)控界面、傳感器配置界面四個界面。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

1.2 登錄界面

采用“用戶名＋密碼”方式登錄，后臺可根據(jù)需要設(shè)置用戶組、驗證密碼，不設(shè)開源注冊功能，確保系統(tǒng)運行安全。系統(tǒng)將自動記錄每一名用戶的登錄情況，以備日后查閱。

1.3 數(shù)據(jù)概覽界面

該界面是系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和系統(tǒng)設(shè)置的關(guān)鍵。檢測工程師可以根據(jù)需要，選擇啟動的設(shè)備，系統(tǒng)最多可以支持接入300個遠程溫濕度傳感器，并可根據(jù)需求進行分組，每組對應(yīng)一個測試傳感器組，該組內(nèi)所有傳感器作為一個系列，將數(shù)據(jù)匯總在一起，最終形成一份測試報告。選擇設(shè)備后，可以通過列表看到該組設(shè)備所帶有的節(jié)點（傳感器）編號。

通過表格可以觀測每個節(jié)點（傳感器）的實時數(shù)據(jù)，可顯示當前組內(nèi)各傳感器溫度（濕度）的最大值和最小值。

頁面還提供了校準各類環(huán)境試驗設(shè)備所需的常見參數(shù)。

1）工作溫度（濕度）：測量期間，該傳感器溫度（濕度）值的算術(shù)平均值。

2）溫度（濕度）波動：測量期間，該傳感器溫度（濕度）值的最大值－最小值。

3）溫度（濕度）差：同一時刻，各傳感器溫度（濕度）值的最大值－最小值。

選取設(shè)備后，檢測工程師將根據(jù)不同設(shè)備對應(yīng)的不同規(guī)程要求，選擇“數(shù)據(jù)采樣時間”（采樣總時長）和“測量時間間隔”（每兩次采樣的時間間隔），點擊“刷新傳感器數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)將開始記錄數(shù)據(jù)。

各溫濕度節(jié)點（傳感器）將所有溫濕度數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可根據(jù)檢測工程師需求更改測量時間間隔和測試時長，系統(tǒng)將根據(jù)對應(yīng)檢定規(guī)程、校準規(guī)范、國家標準的要求重新計算溫濕度差、工作溫濕度、溫濕度波動等數(shù)據(jù)，出具相應(yīng)的報告。系統(tǒng)提供詳細數(shù)據(jù)下載功能，可以輸出TXT、Excel、SQL、XML等格式文本。

1.4 傳感器監(jiān)控界面

傳感器監(jiān)控界面可以監(jiān)控每一個節(jié)點（傳感器）的實時工作情況并以圖表形式呈現(xiàn)。將數(shù)據(jù)讀取間隔分為：5 s、30 s、60 s、300 s。數(shù)據(jù)讀取間隔小于數(shù)據(jù)概覽界面中的測量時間間隔，滿足檢測工程師觀測各傳感器實時溫濕度的變化情況。記錄開始后，頁面會顯示當前傳感器數(shù)量以及數(shù)據(jù)讀取間隔、每個傳感器的當前溫度、濕度數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)提供柱狀圖、折線圖、列表等多種形式，滿足不同用戶的需求。系統(tǒng)有溫濕度超范圍報警功能，在配置頁面設(shè)置相應(yīng)的溫濕度閾值后，當溫濕度超過該閾值，對應(yīng)的傳感器的監(jiān)控頁面中的溫濕度數(shù)據(jù)將高亮顯示，方便遠程觀測溫濕度變化、超范圍等情況。

1.5 傳感器配置界面

傳感器配置界面用于各傳感器的狀態(tài)配置，可單獨控制每個傳感器的開關(guān)。通過列表查看各傳感器的編號、當前狀態(tài)、分組情況、高低溫報警閾值、高低濕度報警閾值。點選“新增／修改傳感器信息”按鈕，可以對指定傳感器信息進行配置，配置內(nèi)容包括：傳感器編號、預(yù)警溫度下限值、預(yù)警溫度上限值、預(yù)警濕度下限值、預(yù)警濕度上限值。

2 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)通信是環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度測試系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是校準數(shù)據(jù)高效、安全傳輸?shù)幕A(chǔ)。自主開發(fā)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析數(shù)據(jù)通信協(xié)議，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能。保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、安全性以及可靠性。通過網(wǎng)絡(luò)對外發(fā)送信號，可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至檢測人員、客戶的終端，實現(xiàn)檢測人員與客戶共享實時數(shù)據(jù)。實現(xiàn)檢測人員遠程無線監(jiān)測的功能，滿足偏遠地區(qū)的現(xiàn)場檢測要求，實現(xiàn)移動冷鏈運輸車溫濕度的實時檢測校準，自動組網(wǎng)功能也避免了長距離布設(shè)熱電偶的麻煩。

各傳感器間采用Uart通信協(xié)議（通用異步收發(fā)傳輸器），將溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過該協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。采用串口通信方式，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的每個字符以串行方式一位接一位地傳輸，使用長度可變的數(shù)據(jù)包進行傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的安全可靠。系統(tǒng)帶有確認傳輸功能，傳輸數(shù)據(jù)使用循環(huán)冗余校驗碼（CRC）校驗，可以在信息碼之后再拼接K位的校驗碼，形成整個編碼數(shù)據(jù)包，最多可進行15次信息重傳，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽縖7]。

如圖3所示，深色圖標為Spring Boot框架的監(jiān)聽串口，淺色各點為溫濕度傳感器，各傳感器通電后會自動組網(wǎng)，形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，完全不需要進行設(shè)置、干預(yù)。傳感器會自動通過網(wǎng)絡(luò)選擇最優(yōu)的路徑，將信息傳輸給監(jiān)聽串口。整個網(wǎng)絡(luò)中，任何一個模塊的故障并不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行，模塊具有很好的抗毀性，傳感器間可橋接組網(wǎng)，將某些遠離監(jiān)聽串口的傳感器信號通過其相鄰的傳感器傳輸過來，如圖4所示。每個系統(tǒng)最多可以支持300個模塊組成網(wǎng)絡(luò)，足夠滿足日常的計量檢測需求?？梢酝ㄟ^傳感器配置界面修改各傳感器的地址、配置、開關(guān)、分組，并可以實時監(jiān)控各傳感器的工作狀態(tài)。

本系統(tǒng)基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，相比傳統(tǒng)Zigbee協(xié)議，無需學習復(fù)雜的Zigbee協(xié)議，直接使用圖形化網(wǎng)絡(luò)嗅探軟件更為直觀方便[8]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析軟件及自動組網(wǎng)圖

圖4 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析軟件及自動組網(wǎng)圖（傳感器橋接）

3 創(chuàng)新點

環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)采用ANT Wireless通信技術(shù)，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析無線通信協(xié)議，替代原有有線采集溫濕度數(shù)據(jù)形式。在檢測環(huán)境試驗設(shè)備時，無需長距離布設(shè)熱電偶，直接將無線溫濕度傳感器安放于待測位置，提升檢測效率、規(guī)范檢測過程、確保檢測質(zhì)量，實現(xiàn)遠程無線檢測，滿足動態(tài)環(huán)境下環(huán)境試驗設(shè)備的檢測需求。

采用MVC結(jié)構(gòu)，將系統(tǒng)直接植入網(wǎng)頁，兼容計算機和手機的主瀏覽器，通過Web界面直接訪問系統(tǒng)，預(yù)留接入新LIMS系統(tǒng)的空間，將采集數(shù)據(jù)作為原始記錄，可實現(xiàn)報告直接生成，降低數(shù)據(jù)錯誤概率。系統(tǒng)兼顧信號分析處理及記錄功能，實現(xiàn)遠程控制無線溫濕度傳感器的開關(guān)、測試間隔等情況。

測試過程中，各傳感器將所有采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫。測試結(jié)束后，檢測工程師可根據(jù)檢定規(guī)程、校準規(guī)范、國家標準的不同要求，選取對應(yīng)數(shù)據(jù)，形成測試報告。

4 結(jié)語

本文介紹基于Spring Boot框架結(jié)構(gòu)的環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)，基于ANT Wireless通信技術(shù)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，通過Spring Boot框架的監(jiān)聽串口解析數(shù)據(jù)通信協(xié)議，系統(tǒng)分為登錄界面、數(shù)據(jù)概覽界面、傳感器監(jiān)控界面、傳感器配置界面。系統(tǒng)可根據(jù)不同的校準規(guī)范、國家標準，自動選擇不同的測試數(shù)據(jù)及計算方法，對測得數(shù)據(jù)進行分析處理，得出測試結(jié)果。環(huán)境試驗設(shè)備遠程溫濕度校準系統(tǒng)是遠程溫濕度傳感器與檢測工程師之間的橋梁。之后將進一步對系統(tǒng)進行整合改進，整合檢測儀器、檢測業(yè)務(wù)、檢測實驗室、檢測標準、檢測客戶、檢測專家等資源，為客戶提供一站式檢測服務(wù)平臺，為“互聯(lián)網(wǎng)＋計量”提供范例和推廣方向。