嬰兒培養箱的智能警報裝置

武磊　李軍　張雯　王耀弘

摘 要：嬰兒培養箱是為剛出生的體弱多病的嬰兒提供治療的設備，設備的可靠性關乎嬰兒的生命安全。文章介紹了一種新型的嬰兒培養箱智能警報裝置，該裝置通過結合傳感器、單片機、GSM模塊和聲光警報器，可實現對嬰兒培養箱的實時監控、警報，當嬰兒培養箱發生故障時，該裝置會針對不同的情況做出不同的反應，以保障嬰兒的生命安全。

關鍵詞：嬰兒培養箱；智能報警裝置；傳感器

1 概述

嬰兒培養箱是為早產兒和病嬰提供了一個空氣凈化溫濕適宜，類似母體子宮的優良環境。嬰兒培養箱內的溫濕度可根據需要設定。目前國內還沒有對嬰兒培養箱實時監控的智能裝置，因此設計一種嬰兒培養箱的智能警報裝置是非常有必要的。文章結合《JJF 1260-2010 嬰兒培養箱校準規范》和《GB 11243-2008醫用設備：嬰兒培養箱安全專用要求》，設計了一種智能監控警報裝置。該裝置采用的是分項集成式測量，可同時測量5個不同位置的溫度參數，任意一點的溫度參數、氧含量參數以及噪聲參數，再與單片機、GSM模塊、擴音設備等結合，達到自動監控警報的功能。

2 系統的工作原理

系統主要包括硬件和軟件兩個模塊。硬件模塊主要由信號調理電路、數據采集器、計算機構成。信號調理電路用于對電壓信號進行放大、濾波等處理。數據采集器用于采集、模數轉換電壓信號，并通過串行總線方式將采集數據發送給單片機。單片機用于處理、分析、顯示數據。軟件模塊主要是對單片機進行編程，讓其能對接收到的數據進行處理，并控制聲光警報、中斷器、GSM模塊等。

系統的工作原理是傳感器將嬰兒培養箱內的環境參數采集以后，傳送到數據采集卡處理，再將數據傳送到單片機。單片機的工作方式為：

（1）單片機將對接收到的數據與設定的參數進行比對，若收到的數據不在單片機啟動工作所設定的參數值內，單片機不做出任何反應，培養箱正常工作。

（2）若氧含量參數、濕度參數、噪聲參數中的任何一個參數在設定的參數值內，溫度參數值大于設定的值但未超過38℃時，單片機將控制聲光警報裝置響起，若60秒內無人來關閉開關，則單片機將控制GSM模塊工作，向該院的負責人、該培養箱的工作人員發送信息進行通知，直到工作人員按下復位開關，單片機重新對接收到的數據進行判斷。

（3）若溫度參數值大于設定的值且超過38℃時，單片機將控制聲光警報裝置響起，GSM模塊立刻工作向該院的負責人、該培養箱的工作人員發送信息進行通知，并且單片機立即控制切斷嬰兒培養箱的電源。

3 硬件設計

3.1 傳感器選型

本裝置的硬件部分設計主要的功能是對嬰兒培養箱環境參數的測量、放大、濾波等調理工作。設計過程中根據不同的參數選用不同的傳感器、數據采集卡以及放大調理電路。

溫度測量模塊選用Pt100作為測溫元件。Pt100 的氧化性介質中，甚至在高溫環境下，其物理、化學性質不會發生較大的改變，具有高精度、較好的穩定性、性能可靠的特點，在0℃到60℃內應用廣泛。氧含量測量部分選用的是英國Alphasense公司的（O2-A2）氧氣傳感器，該傳感器最主要的功能室測量大氣中氧氣的濃度，具有較高的使用壽命，不同氧氣濃度下的輸出是線性關系滿足我們使用的要求。濕度測量模塊選用的是瑞士SENSIRIO公司生產的FLEX2000TH溫濕度測量模塊，該模塊的傳感器具有高穩定性、快速響應、較強的抗干擾能力等貼點，在測量濕度方面具有廣泛的應用。噪聲測量模塊，選用的是愛華AWA5636聲級計。愛華AWA5636型聲級計是一種數字化顯示、具有多種功能的聲級計。采用AWA14421型預極化測試電容傳聲器，使用數字檢波技術，具有可靠性高、穩定性好、動態范圍寬，可用于工業噪聲測量以及環境噪聲測量。

選用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集熱電阻輸出的信號。ADAM-4015是一個16位的A/D六通道熱電阻輸入模塊，其通過RS485進行數據的傳輸，可以同時對多個點的溫度數據進行采集，采集精度可達到正負0.1%。采集環境中的氧含量參數選用的是研華ADAM4017+。ADAM4017+是一個十六位的A/D 八通道的模擬量輸入模塊，輸入的信號可以是電流信號也可以是電壓信號，支持八路差分信號，支持應用廣泛的Modbus協議，其輸入的范圍可以使4-20mA的電流，滿足我們使用的氧含量傳感器輸出的要求。對于噪聲信號的測量，調試過程中發現計算機的信號會對聲級計的本底噪聲造成干擾，故設計了一個光耦隔離器，通過高速光耦講聲級計輸出的信號進行隔離傳輸，確保信號不會受到干擾。

3.2 GSM通訊模塊

警報信息的發送選用的GSM模塊是Siemens公司推出的TC35無線通信模塊，可高效迅速的將系統中設定的警報內容發送到系統指定的人員。模塊的工作電壓為3.3-5.5V，其工作頻段為900MHz和1800MHz，工作于900MHz頻段時所耗功率為2W；工作于1800MHz頻段時所耗的功率為1W。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。

4 軟件設計

為了提高單片機處理時的速度與效率，程序采用了中斷分別用于警報和串口數據的接收和發送，介于單片機中斷優先級只有高低兩級之分。警報信息響起后相關人員關閉警報所采取的辦法是通過按鈕使單片機復位。當單片機受到的信號處于讓單片機工作的范圍內時，圣光警報響起以警示嬰兒培養箱的工作人員，若在GSM模塊延時工作的時間內接收到復位信號，則取消警報。如果在規定時間內沒有取消，則開始通過GSM發送警報信息至提前設置好的聯系人；若溫度超過38℃，GSM模塊直接工作，且控制中斷器切斷嬰兒培養箱電源。

5 結束語

文章設計的一種嬰兒培養箱只能警報裝置是由氧分析測量模塊、濕度測量模塊和溫度測量模塊以及噪聲測量模塊組成。同時，所采集到的信號的精度和要求皆滿足《JJF 1260-2010 嬰兒培養箱校準規范》。采集信號通過與單片機中設定的參數進行對比，若采集到的參數在所設定的值內，單片機控制聲光警報、GSM模塊等工作。該裝置能夠實現嬰兒培養箱發生事故時的智能警報，減少嬰兒所受到的傷害，及時挽救和保護嬰兒。

通過對所采集的數據進行計算分析以及測試試驗，實驗結果表明該嬰兒培養箱想警報裝置的技術指標和性能完全滿足《JJF 1260-2010嬰兒培養箱校準規范》的要求。該裝置操作簡單且具有較高的測量精度及分辨率，且具有良好的人機交互功能。同時為了提高檢測的準確性和可靠度，系統在傳輸線的信號干擾設計方面進行了完善，避免檢測過程中信號干擾產生較大誤差。

參考文獻

[1]JJF1260-2010.嬰兒培養箱校準規范[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2]GB11243-2008.嬰兒培養箱安全專用要求[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3]辜衛國.基于無線數據傳輸的嬰兒培養箱檢測儀的設計[J].工程與實驗，2012，52（3）：64-65.

[4]王平均.智能嬰兒培養箱的檢測儀[J].上海計量測試，2013（5）：31-39.

作者簡介：武磊（1991-），男，貴州畢節人，碩士研究生，主要從事機電設備設計與控制研究。