基于iRFID的疫苗運輸實時監測管理系統

張娜 楊賀

摘要：針對在運輸過程中的疫苗質量保證以及損耗疫苗溯源可查的問題，文章通過對需求的調查分析與系統設計，采用RFID標簽與溫度傳感器實時監測疫苗的溫度，并通過通信接口將數據傳遞至后臺數據庫，分別開發了Web端和移動端的實時監測系統的管理軟件，并對硬件系統進行了簡單的測試，該系統實現了疫苗運輸過程的全程監測和管理。該監測管理系統可以確定出現問題的環節，追究溯源，從而保障疫苗的質量，減少疫苗運輸的成本，提高工作效率，增強監管力度并對導致疫苗失活的相關運輸環節進行有效、準確的追責。

關鍵詞：RFID???iRFID????疫苗???實時監測

中圖分類號：TP393???文獻標識碼：A

The?Real-Time?Monitoring?and?Management?System?for?Vaccine?Transportation?Based?on?iRFID

ZHANG?Na?1???YANG?He?2

（1.?The?36th?Research?Institute?of?China?Electronics?Technology?Group?Corporation，?Jiaxing，?Zhejiang?Province，?314033?China;?2.Hangzhou?Hikvision?Digital?Technology?Co.，?Ltd.，?Hangzhou，?Zhejiang?Province，?310012?China）

Abstract：?In?view?of?the?problems?of?the?quality?assurance?of?vaccines?and?the?traceability?of?lost?vaccines?during?transportation，?through?the?investigation?and?analysis?of?requirements?and?system?design，?this?paper?monitors?the?temperature?of?vaccines?in?real?time?by?RFID?tags?and?temperature?sensors?and?transfers?data?to?the?back-end?database?through?the?communication?interface，?and?develops?management?software?of?the?real-time?monitoring?system?of?the?Web?side?and?mobile?side??respectively?and?simply?tests?the?hardware?system.?This?system?realizes?the?monitoring?and?management?of?the?entire?process?of?vaccine?transportation.?This?monitoring?and?management?system?can?identify?problematic?links?and?trace?the?source，?so?as?to?safeguard?the?quality?of?vaccines，?reduce?the?cost?of?vaccine?transportation，?improve?work?efficiency，?enhance?supervision，?and?carry?out?effectively?and?accurately?accountability?for?the?relevant?transportation?links?that?lead?to?vaccine?inactivation.

Key?Words：RFID;?IRFID;?Vaccine;?Real-time?monitoring

2020年3月11日，WHO宣布新冠肺炎疫情已經構成全球性“大流行”。據WHO報道，2022年全球的疫苗需求量已超過100億劑，這將是對全球冷鏈物流巨大的挑戰。傳統的疫苗冷鏈，面對即將大規模和大范圍的新冠肺炎疫苗運輸，如何提高疫苗運輸的時效性和保證疫苗的質量成為迫切需要解決的問題[1]。

RFID技術是一種用于識別和跟蹤物體的無線技術，通過閱讀器與標簽間進行非接觸式的數據通信來達到識別目標的目的，可以通過RFID感知技術獲得冷鏈物流方面相對全面的信息，RFID標簽不但能夠儲存唯一信息，還可采集并發送環境溫度數據，可以實時了解疫苗的各類重要參數。

2021年1月，重慶市疾控中心對外透露，已經實現疫苗管理全過程可溯源，借助物聯網、GPS等技術，重慶市還實現了24小時無人值守的疫苗溫度自動采集與主動預警。上海生物醫藥有限公司自主研發了物流作業系統，在疫苗入庫和出庫時進行掃碼作業，并且自動在疫苗運輸過程中生成追溯信息，確保物流作業準確性的同時，顯著提升了物流作業效率[2]。

無線電源行業領跑者Powercast公司在2021年推出了無線供電的RFID溫度掃描系統，其CEO查理·戈茨（Charlie?Goetz）稱其公司的RFID傳感標簽可以使用無線電源并檢測環境溫度以確保新冠疫苗的有效性與安全性。

美國艾默生（EMERSON）公司開發出了可以通過IOT物聯網技術，WEB監控解決系統來保持對瑞輝公司生產的新冠疫苗全程可監控、可溯源以及信息可視化。

目前全球疫情形勢依然嚴峻，對于疫苗有著巨大需求，利用信息化來提升疫苗供應鏈水平，降低疫苗在運輸過程中的損耗，仍然是國內外許多企業共同努力的方向[3]。

綜上所述，文章基于iRFID技術設計并實現疫苗運輸實時監測管理系統。通過iRFID技術對疫苗的運輸過程進行監控，獲取實時監測疫苗的溫度，由通信接口將數據傳遞至后臺數據庫，進而通過Web端和移動端對疫苗進行管理。該系統可以確定容易發生問題的環節，追根溯源，從而保障疫苗質量，并減少疫苗運輸的成本，提高運輸效率。

1?系統設計

基于iRFID的疫苗運輸實時監測系統需要實現對疫苗運輸過程中溫度的變化進行監控與記錄以及對訂單運輸位置的實時跟蹤，系統設計總體架構圖，如圖1所示。

系統總體設計包含硬件設計、軟件設計以及界面設計三部分。硬件設計包括RIFD設備連接方式、實際使用時設備具體的部署以及使用方式的設計；軟件設計包括疫苗實時溫度檢測功能，訂單位置跟蹤功能，用戶登錄注冊相關功能而進行的整體系統建模；界面設計包括對Web端管理系統和對移動端物流App的界面設計。

1.1?系統硬件設計

本系統硬件部分由無源超高頻RFID溫度傳感器標簽、天線以及擁有射頻模塊，數據存儲單元和數據傳輸模塊的讀寫器組成?；具^程為讀寫器的射頻模塊通過天線發送一個特定頻率的無線電波能量給無源RFID標簽，標簽驅動其內部電路將所攜帶的電子產品代碼（EPC）和數據送出，此時讀寫器便接受這些數據，再通過存儲單元與數據傳輸模塊將數據傳輸到服務器。RFID設備連接示意圖，如圖2所示。

1.2?系統軟件設計

基于iRFID的疫苗運輸實時監測管理系統軟件部分需要實現疫苗溫度實時監測功能，訂單位置記錄功能，以及方便使用的用戶相關的登錄、注冊、展示個人信息和修改密碼等功能，為了輔助系統的開發設計，明確疫苗物流管理系統需求，使用UML用例圖描述疫苗物流管理系統主要功能。具體疫苗物流管理系統用例圖，如圖3所示。

1.3?系統界面設計

Web端疫苗物流管理系統需要以簡潔美觀的界面為用戶提供疫苗入庫，疫苗實時溫度曲線顯示；訂單添加、取消，訂單實時位置顯示；用戶登錄、注冊、個人信息修改等功能。如圖4所示。

移動端具有便攜性，但相對于Web端屏幕顯示相對局促，如圖5所示移動端界面只承擔疫苗實時溫度曲線顯示以及訂單實時位置顯示，用戶登錄及個人信息顯示幾個比較重要且適合在移動端使用的功能。

2?系統實現與測試

2.1?系統總體實現

利用實驗室來模擬車廂內的系統總體實現，如圖6所示。

圖6展示的是將RFID讀寫器至電腦，將天線放置于天花板附近模擬其在正常疫苗運輸車車廂中的位置，將無源超高頻iRFID溫度傳感器標簽貼在藥品包裝盒之上，并將盒子層疊起來模擬其在車廂中貨架的擺放方式。通過天線釋放的射頻信號，RFID讀寫器正在不斷讀取標簽中應答器電路返回的溫度信息以及EPC（電子產品碼）并將它們傳輸給作為服務器的電腦。

2.2?系統硬件實現——RFID設備連接

基于對RFID設備連接示意圖來連接RFID讀寫器、天線以及無源超高頻RFID溫度傳感器標簽，具體RFID設備連接實現圖，如圖7所示。通過RFID讀寫器，天線的連接與標簽的放置，硬件系統已經可以正常工作。通過RFID讀寫器廠商開發的讀寫軟件，可以將標簽內溫度傳感器所獲得的溫度數據發送到數據庫進行存儲與顯示，RFID設備讀寫并存儲溫度數據。

2.3?系統軟件實現

2.3.1?疫苗實時監測功能

疫苗實時監測功能提供了直觀的疫苗溫度曲線顯示以及疫苗從生產（進入系統數據庫）到在各個訂單之間運輸的一系列運輸記錄表格，可供用戶在交付疫苗時向采購方展示以證明運輸符合疫苗運輸相關法律要求的疫苗運輸過程全部信息收集。并且，當疫苗溫度超過閾值時可通過詳細的記錄檢查出運輸過程的漏洞以進行追責，具體疫苗實時溫度曲線與運輸表格記錄功能，如圖8所示。

2.3.2?訂單跟蹤功能

訂單追蹤功能可以輔助實現疫苗的記錄與溯源，系統實現訂單實時位置追蹤功能，如圖9所示。

2.3.3?用戶相關功能實現

RFID疫苗運輸管理系統為了方便用戶使用，實現了簡潔使用的一系列用戶相關功能，包括登錄、注冊、修改個人信息、修改密碼和修改個人信息功能，如圖10所示。用戶可以修改自己的頭像、昵稱以及手機號碼，點擊保存更新即可更新用戶在數據庫中的數據。

2.3.4?數據庫

此系統實現了MYSQL數據庫對疫苗溫度、訂單信息的存儲，在系統運行過程中，服務器會不斷收到RFID疫苗管理系統發來的疫苗溫度查看請求，從而向數據庫請求相關數據。并且服務器會不斷收到由RFID讀寫器傳來的疫苗溫度數據，從而更新數據庫。數據庫中的疫苗表擁有電子產品碼（EPC）字段使其可以將疫苗和RFID溫度傳感器標簽一一對應，同時它可以依靠訂單編號字段確認目前所在的訂單。訂單表則擁有用戶編號字段用來確認訂單的責任人與訂單狀態字段來分辨訂單所攜帶的疫苗是在倉庫中還是在運送的路上，具體數據庫疫苗表與訂單表效果圖，如圖11所示。

2.4?系統界面實現

基于Web端系統承載的用戶需求與對系統頁面的設計，系統完成了對網頁端界面的開發。用戶需要選擇訂單的始發地、目的地以及攜帶的疫苗，之后點擊確定便可以開始訂單的派送并配合RFID硬件設備對相關疫苗開始進行實時的溫度監測以及對訂單的位置跟蹤。Web端用戶查詢訂單列表功能，如圖12所示。

基于移動端系統頁面的分析設計，系統完成了移動端疫苗實時監測系統App，此App擁有疫苗實時溫度曲線查看功能、訂單位置實時查看功能及方便用戶使用的其他功能。

移動端查看具體疫苗溫度信息功能效果圖如圖13。

2.5?測試分析

系統通過RFID硬件設備對疫苗的溫度進行實時監測，但天線所發射的射頻電磁波在通過不同介質時會有所損耗。例如：射頻電磁波在通過玻璃和陶瓷時大概會損耗10%～20%，而遇到金屬時則會發生金屬反射。為了在運送疫苗的冷凍車廂內使用RFID設備，需要對天線遇到各種可能情況會產生的損耗進行試驗測試。

首先，天線在無源超高頻RFID溫度傳感器標簽水平時，射頻電磁波能到達的極限距離約為3.5?m，具體如圖14所示。

其次，在運輸疫苗的冷凍車廂中，射頻電磁波最容易受到的部分其實是來自于疫苗保溫箱之間在貨架上層疊造成的相互遮擋，根據實驗測試，如果有標簽與天線之間只有一層貨架疫苗保溫箱遮擋，能收到標簽反饋的溫度信息的極限距離約為2.1?m。具體如圖15所示。而在標簽與疫苗之間有兩層疫苗保溫箱阻隔時，極限距離約為1.8?m，具體如圖16所示。

在標簽與疫苗之間有兩層疫苗保溫箱阻隔時的橫向對比圖，具體如圖17所示。

基于上述實驗測試，系統的RFID硬件部分在高度，長度不超過3m，貨架層數不超過3層的疫苗運輸車車廂內使用，設備中的天線與無源標簽基本可以滿足疫苗溫度的采集需求。如果車廂長度超過3?m或貨架層數過高，建議使用2組或更多的天線設備以確保運輸過程中產生的信息不會被遺漏。

3?結語

基于iRFID的疫苗運輸實時監測管理系統實現了對疫苗運輸過程的監控。該系統可以確定出現問題的環節，追根溯源，從而減少疫苗運輸的成本，提高運輸效率。同時為了明確天線設備在各種情況下的射頻電信號極限距離，在實驗室使用設備做了相關實驗，最終確定了在車廂內使用設備的方式及可行性。目前，全球疫情形勢依然嚴峻，全球疫苗冷鏈物流系統都在受到巨大的挑戰，如在物流水平并不發達的部分非洲地區，疫苗只能用少量無人機來運送。但是隨著抗疫經驗不斷地豐富，疫苗冷鏈物流系統的信息化與可溯源體系必將不斷地發展與完善，RFID技術相關工藝的日趨成熟，RFID電子標簽成本的不斷下降，RFID極有可能在冷鏈物流系統信息采集部分得到廣泛使用。

參考文獻

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