基于阿里云的無線IOT在數字制藥車間場景下的設計應用

蔣夢云　尚雨欣

關鍵詞：CC2530；4G模塊；ZigBee組網；制藥車間

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）03-0085-03

0 引言

數字制藥車間是一種新型制造車間，作為實現智能制藥的關鍵環節，能夠顯著提高生產效率、降低生產成本，同時也能帶來更高的生產質量和產品精度以及更高的生產安全性。數字車間通過融合互聯網、云計算、大數據等前沿技術，實現生產設備信息的實時監測和追溯、智能化的生產調度以及生產過程的可視化管理等多種功能。此外，數字車間還可以通過人機協作等方式，優化生產工藝流程，提高生產效率和生產質量，從而最大化地實現生產資源的利用效益。在智能制造的趨勢下，數字車間將會發揮更加重要的作用，為制藥產業的發展注入新的動力[1]。

1 總體設計

在數字制藥車間的無線IOT 設計中，通過選型和設計，最終選用了CC2530作為主控芯片。CC2530能夠勝任各種復雜的物聯網應用需求。同時，構建了兩個節點，負責連接不同類型的傳感器，這樣一來，就能夠更好地監測制藥車間的各種數據。每個節點都有其獨特的地址，這是為了區分不同的節點和傳感器數據。節點能夠將收集到的數據按照MQTT協議進行封裝，然后發送給主控芯片[2]。

作為網絡中的協調器（Coordinator） ，主控芯片負責管理網絡中的各個節點，確保它們能夠正常工作并接收存儲來自節點發送過來的消息。當接收到消息后，主控芯片會通過串口將數據發送給終端設備，如PC或手機等。

終端設備通過串口與主控芯片進行通信，發送請求命令。主控芯片將會從存儲器中提取相應的數據，然后發送給終端設備。終端設備將接收到的數據顯示在Web端，用戶可以通過Web界面查看和分析這些數據，從而更好地了解制藥車間的運行情況，整體系統搭建如圖1所示。

1.1 IoT 端設計

項目利用物聯網技術（IOT） ，借助各類傳感器，如溫濕度傳感器、氣體傳感器等，對車間和倉庫內部環境狀態進行實時監測，同時將收集的數據轉換成數字信號。隨后，利用無線網絡模塊，將數據封裝成符合MQTT協議格式的消息，并發布至特定主題（Topic） 上。在阿里云IOT平臺上，創建了一個物理類模型（ThingModel） ，詳細定義了設備的屬性、事件和服務，實現與設備的雙向通信。當設備向阿里云IOT平臺發布消息時，平臺將根據物理類模型對消息進行解析，同時將數據存儲至數據庫，并可通過Web可視化開發工作臺或API接口進行信息展示與處理[3]。

核心代碼如下：

def process_data（data）：

# 調用人工智能模型捕捉監控數據

for d in data：

image_data = capture_image（）

image_data = preprocess_image（image_data）

predictions = model.predict（image_data）

predicted_class = np.argmax（predictions）

predicted_class_name = class_names[pre?dicted_class]

print（f"Predicted class： {predicted_class_name}"）

return

if __name__ == "__main__"：

thread = threading.Thread（target=publish_thread）

thread.start（）

while True：

# read sensor data

temperature = read_temperature（）

humidity = read_humidity（）

gas_level = read_gas（）

publish_data（temperature， humidity， gas_level）

time.sleep（5）

thread.join（）

1.2 Web 云端設計

項目基于阿里云提供的物聯網應用開發工具—IOT Studio，利用其可視化應用開發、服務開發等功能，快速構建了一個適合物聯網場景的Web頁面模型。該模型可實時展示車間和倉庫內的環境參數數據，并賦予相應的控制功能。在IOT Studio平臺上，通過拖拽組件、配置屬性、編寫腳本等方式，在云端IDE 框架下進行可視化設計，無須關注底層技術細節，降低了開發難度和成本。同時，IOT Studio還支持與阿里云物聯網平臺、華為云IOT平臺等其他物聯網云服務進行集成和對接，實現數據流轉和管理。

2 硬件模塊實現

在硬件模塊的設計環節，首要考慮的是各類傳感器與執行器的選型及電路設計。為了滿足數字制藥車間的實際需求，可以選擇包括溫度、濕度、壓力、液位等傳感器以及如電磁閥、電機等各種執行器。而在電路設計上，需要細致考慮電源管理、信號處理以及接口設計等問題。

2.1 車間環境監測模塊

車間模塊通過部署溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、MQ7等多個傳感器，組成一個網絡監測節點，用于實時采集車間的溫度、濕度、水浸和CO濃度等環境參數。這些傳感器具有較高的測量精度和穩定性，能夠實現對藥品生產環境的精確監測。

其中，土壤傳感器利用土壤水分與土壤電導率之間的密切關系，即當土壤含水量增加時，土壤電導率也相應增加；反之則減小。不同類型的傳感器還支持溫度補償、校準曲線等功能，進一步提高了測量精度和穩定性。

2.2 倉庫環境監測模塊

為確保藥品保存環境的適宜性，構建了一個傳感器網絡節點，該節點集成了溫濕度傳感器、光敏傳感器、火焰傳感器等設備，可實時采集倉庫的溫度、濕度、光敏、火焰值等關鍵參數。這些傳感器在組網節點中發揮著重要作用，提供了直觀、實時的環境監測數據。

這些傳感器節點通過組網連接，將監測數據傳輸到后臺管理系統，實現對藥品倉庫環境的實時監控和預警。這種智能化的監測方式能夠提高制藥車間的生產效率和產品質量，確保藥品的安全性和有效性。

3 軟件模塊實現

軟件模塊，以設計驅動軟件為核心，介紹制藥車間系統的軟件模塊。該軟件系統主要分為兩個模塊：環境監測模塊和安全防護模塊。

3.1 環境監測模塊

環境監測模塊作為軟件系統的核心之一，主要用于采集環境信息。它涵蓋了溫度、濕度、火焰等參數的檢測，并將這些數據實時傳輸至計算機進行深入的數據處理及分析。這一模塊不僅提供了對車間環境的實時監控，還為制藥過程提供了必要的數據支持。

此模塊主要用于車間及廠房的數據監測。它可以實時采集車間及廠房的各種數據，如溫度、濕度、火焰等環境參數，以及機器設備的運行狀態等信息，并將這些數據傳輸到計算機上進行處理和分析。這樣可以幫助工作人員及時發現異常情況，提高生產效率。

3.2 安全防護模塊

另一個模塊是安全防護模塊，它的主要功能是報警。當環境參數超出預設范圍時，這一模塊會自動觸發報警機制，及時提醒工作人員進行處理，為制藥車間的安全運行提供了有力保障。包含LED顯示燈和蜂鳴器，顯示燈模塊主要用于LED燈的顯示，當參數達到設定的閾值時，相應顏色的LED顯示燈會亮。例如，當水浸超過設定的閾值時，黃色LED燈會亮；當火焰超過設定的閾值時，紅色LED燈會亮。這樣的設計方便工作人員及時發現環境異常情況，并采取相應的處理措施。對于蜂鳴器模塊，當達到設定參數時，蜂鳴器會自動響應，以提醒工作人員進行維護。

4 Web 可視化模塊實現

為了提升車間及倉庫的安全性和效率，采用了物聯網技術來收集和分析各種環境數據。通過Web可視化開發工作臺，構建了一個簡潔明了的操作和查看界面。這個界面主要分為兩部分：數據監測部分和控制分析部分[4]。

4.1 數據監測部分

在此部分中，可以實時顯示車間內的溫度、濕度、火焰、水浸等參數，以及倉庫內的溫度、濕度、CO含量、光照度等參數。用戶可以根據實際需求設置閾值和報警方式。一旦某些參數超過或低于預設閾值，系統將自動發送短信或郵件提醒用戶，同時在界面上顯示醒目的紅色警示標志。通過將各個傳感器所檢測到的數據呈現于云端，并進行展示與對比，可以實時監控車間及倉庫內的環境參數。這些傳感器包括溫濕度傳感器、MQ7氣體傳感器以及光照度傳感器等，它們通過無線網絡將數據傳輸至云端服務器。

核心代碼如下：

# Init SMS Client

sms_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_sms（phone_number， alarm_type）：

request = CommonRequest（）

request.set_method（'POST'）

request.set_domain（'dysmsapi.aliyuncs.com'）

request.set_version（'2017-05-25'）

request.set_action_name（'SendSms'）

request. add_query_param（'TemplateParam'， '{"type"："%s"}' % alarm_type）

response = sms_client.do_action_with_exception（re?quest）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Init AliCloud Voice Service

voice_client = AcsClient（access_key_id， ac?cess_key_secret， 'cn-hangzhou'）

def send_voice（phone_number， alarm_type）：

request = SingleCallByTtsRequest. SingleCallByTt?sRequest（）

request.set_accept_format（'json'）

request.set_tts_code（''）

request.set_called_number（phone_number）

request. set_tts_param（'{"type"： "% s"}' % alarm_type）

response = voice_client. do_action_with_exception（request）

print（str（response， encoding='utf-8'））

# Get Device data from Iot

def get_latest_data（device_name）：

# Use SDK

return {"temperature"： 28， "humidity"： 50， "flame"：0， "water"： 0}

# 判斷數據是否超過閾值，并發送報警信息

def check_alarm（data， threshold， phone_number，alarm_type）：

if data['temperature'] > threshold['temperature']：

print（"溫度超過閾值，發送報警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['humidity'] > threshold['humidity']：

print（"濕度超過閾值，發送報警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

elif data['water'] > threshold['water']：

print（"水浸超過閾值，發送報警信息！"）

send_sms（phone_number， alarm_type）

send_voice（phone_number， alarm_type）

else：

print（"數據正常，不需要發送報警信息。"）

4.2 控制分析部分

控制界面部分則允許用戶遠程控制車間和倉庫內的報警設備。用戶可以根據實時數據或預設模式進行調整，從而優化車間及倉庫的工作環境。不僅如此，用戶還可以將不同時間段或不同位置的數據進行對比與統計，從而發現存在的問題并優化相應的方案。這樣的方式，不僅提供了便捷的數據監測方式，也為企業提供了有效的決策依據[5]。

此外，為了讓用戶更好地了解外部天氣情況，我們利用墨跡App提供的天氣預報接口，在界面上顯示當前位置和時間的天氣狀況、溫度、風力、空氣質量等信息。這一切的設計都是為了提高工作效率和安全性，為用戶提供更便捷、更智能的工作環境，如圖2 所示。

5 Mobile 頁面實現

通過將各個傳感器所檢測到的數據呈現于云端，并進行展示與對比，可以實時監控車間及倉庫內的環境參數。這些傳感器包括溫濕度傳感器、MQ7氣體傳感器以及光照度傳感器等，它們通過無線網絡將數據傳輸至云端服務器。

在云端服務器上，運用Mobile可視化開發工作臺構建了一個數據展示界面，使得用戶可以輕松地查看并分析各個傳感器所檢測到的數據。還可以將不同時間段或不同位置的數據進行對比與統計，從而發現存在的問題并優化相應的方案。

6 釘釘端模塊實現

釘釘端可以實時推送設備上下線、設備檢測數據、閾值報警等多種消息，這種實時推送方式可以讓群成員即時獲取到很多有用信息。這不僅提高了團隊協作效率，也使得信息共享更加便捷和高效。同時，釘釘群實時推送還能夠與其他釘釘功能結合使用，例如與日程安排相結合，自動將重要日程和任務提醒推送至群內，提醒群成員關注和處理。此外，釘釘還支持在群聊中添加機器人，可以定制機器人的自動回復規則，實現自動化的即時通信，方便簡潔，增加工作效率?？偟膩碚f，釘釘的實時推送功能為團隊協作、項目管理和信息共享提供了全新的解決方案，讓工作更加高效便捷，更加智能化。

7 結論

本文介紹了一種基于阿里云的無線IOT在數字制藥車間應用系統，該系統針對我國制藥產業在生產環境控制方面存在的問題，提出了一種新穎、高效、可靠、低成本的解決方案。該系統利用溫度、濕度、火焰、MQ-7氣體等多種傳感器，分別部署在車間和倉庫內部和外部，采集各項數據指標，并通過分布式網絡節點將數據實時上傳到網關設備。網關設備負責將數據轉發到云端服務器，并進行數據處理和分析。該系統采用基于ZigBee協議的組網方式，在保證通信質量和穩定性的同時，降低功耗和成本，并實現多個車間及倉庫之間的數據聯網。通過云端平臺，用戶可以實時動態地監測工廠運行狀態，并根據預警信息及時調整生產參數或采取應急措施，從而提高制藥工廠的安全性和生產效率。

【通聯編輯：梁書】