基于ZigBee技術的溫濕度傳輸監測系統的研發*

蔡東江　吳平鳳　吳響軍　肖統生　胡 戈　彭任君

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基于ZigBee技術的溫濕度傳輸監測系統的研發*

蔡東江①吳平鳳②吳響軍①肖統生①胡 戈①彭任君①

[摘要]目的：構建溫濕度傳輸監測網絡體系，對嬰兒培養箱進行集中監測，實時掌握設備運行狀態，保證設備安全有效運行。方法：采用CC2430為核心芯片，運用網狀拓撲結構及Z-AODV路由算法，構建無線監測網絡；分別運用C語言、VB語言編譯傳輸及監測軟件，實現嬰兒培養箱溫度、濕度信號傳輸及監測。結果：該系統具有將嬰兒培養箱溫度、濕度參數信號進行采集、傳輸、顯示及監測的功能，系統的各項功能與性能均通過相關的測試。結論：該溫濕度傳輸監測網絡方案具有較高的可行性及穩定性，為今后ZigBee技術在臨床上的應用提供了理論依據與技術支撐。

[關鍵詞]ZigBee技術；溫度；濕度；傳輸監測系統；嬰兒培養箱

①惠州市第一人民醫院醫學工程部 廣東 惠州 519000

②北京大學深圳醫院設備科 廣東 深圳 518036

蔡東江,男,(1981-),碩士，高級工程師。惠州市第一人民醫院醫學工程部，從事醫療設備管理與維修工作。

[First-author’s address]Department of Medical Engineering,Huizhou First People's Hospital,Huizhou 519000,China.

嬰兒培養箱是一種用于提供和維持適合新生兒生存環境條件的醫療設備，包括溫度(箱溫、膚溫)和濕度的控制。由于新生兒的自身抵抗力非常虛弱，設備的安全和穩定性就尤為重要，如有不慎則會造成嬰兒培養箱因溫度過高而導致醫療事故[1]。嬰兒培養箱屬于高風險醫療設備，國家食品藥品監督管理局印發的有關“國家重點監管醫療器械目錄(2009年版)”中明確地將嬰兒培養箱列為重點監管設備之一[2]。如何讓有限的醫務人員在面對數十臺處于工作狀態的嬰兒培養箱時，能根據患兒情況變化及時進行參數調整，出現報警快速做出反應，有效地監控設備運行狀況等，已經成為臨床急需解決的難題。

本研究結合醫療設備移動性、短距離以及低速率數據傳輸等特點，經充分分析各常用的短距離無線通信技術的特性，選用新興、低功耗的ZigBee無線通訊網絡技術構建嬰兒培養箱中央監測系統，以實現共享數據、便利診療，并實現數據傳輸、顯示及報警監測，達到設備安全控制和提高工作效率的目的。

1　溫度和濕度傳輸監測系統研究目的與意義

針對嬰兒培養箱實際使用所面臨的困難，通過分析設備自身硬件及軟件特點，提出基于ZigBee無線網絡技術，構建溫度、濕度無線傳輸監測系統，對實現嬰兒培養箱使用的網絡數字化管理具有極其重要的意義。

(1)運用ZigBee技術研發溫度、濕度信號傳輸監測系統，并完成網絡構建及狀態監控，填補國內嬰兒培養箱網絡數字化研究的空白。

(2)集中監控管理設備，保證設備安全使用，保障患兒自身安全，防止醫療事故發生。

(3)提高工作效率，解決有限的醫護人員面對數十臺處于工作狀態中的嬰兒培養箱，而無法快速全面掌握其工作安全性的問題，減少需人工對每臺設備運行狀況進行監管的工作量。

(4)通過中央監控軟件平臺操作及管理，在時刻不間斷監測設備安全運行的同時，輕松掌握患兒生存環境的狀況，極大提高救治的成功率，提高臨床工作效率。數據庫數據為設備安全隱患故障的預先評估，及患兒的最適宜治療的溫濕度分析，提供全面的數據基礎。

2　溫度和濕度傳輸監測系統設計與功能

2.1系統設計

由于嬰兒培養箱的工作狀態數據傳輸方式是定時捆綁式傳輸，同時嬰兒培養箱具有移動性的特點，應考慮使用動態路由策略。而網狀拓撲(mesh topology，MESH)結構及MESH路由協議適合于節點移動比較頻繁的場合[3-4]。當嬰兒培養箱在移動且離開其路由器信號覆蓋范圍后，MESH路由協議能夠對網絡的路由路徑進行重新計算，為脫離路由器的節點找出另一最佳路由，建立傳輸通道，確保數據的傳輸[5-6]。在構建網絡系統時充分考慮了節點剩余能量及節點移動等容易導致網絡延時的因素，采集MESH進行組網，選擇Z-AODV路由算法實現MESH網絡數據的傳輸。

在MESH網狀結構中，所有終端節點設備與中繼設備、網絡協調器通信。溫度、濕度傳輸監測系統包括嬰兒培養箱、溫度監測模塊以及數據采集終端(end device)、路由器(router)、網絡協調器(coordinator)和中央監控上位機，整體架構如圖1所示。

2.2系統功能

(1)采集終端的具體功能。①采集嬰兒培養箱的溫濕度參數信息，并將數據信息發送給路由器或協調器設備；②子節點的低電壓報警，如果子節點電壓低于正常的工作電壓時，則向路由器或協調器設備發送請求更換電池信號。

(2)路由器的具體功能。①負責接收采集終端發來的信息，并將其發送給協調器；②充當網絡中繼器的作用。

(3)協調器的具體功能。①負責整個網絡的初始化，確定ZigBee網絡的ID號，操作的物理信道，并統籌短地址分配，提供數據路由和安全管理服務；②通過USB接口與上位機監控終端進行數據通信；③對加入的各個子節點進行實時監控，如有某一子節點發生工作異常狀況，如節點電壓過低等，則發出相應的報警信息，顯示在上位機監測終端的軟件界面上。

(4)溫度監測模塊的具體功能。①監測嬰兒培養箱箱體溫度，與設備自身溫控系統形成雙重監測，保證設備安全穩定運行；②將監測的溫度信息傳送給數據采集終端，再由采集終端通過無線網絡發送數據。

結合醫院的實際情況，組建的ZigBee網絡中包括6個溫度監測模塊、6個數據采集控制終端、3個網絡路由設備及1個協調器設備。其中采集終端采用精簡功能節點，路由及協調器設備采用全功能節點[7-8]。

3　溫度和濕度傳輸監測系統硬件與軟件設計

3.1硬件設計

圖1　溫度、濕度傳輸監測系統整體架構圖

系統選用挪威半導體Chipcon公司生產的CC2430芯片，作為ZigBee微控制器，構建ZigBee通信模塊平臺。通信模塊是由CC2430射頻芯片模塊、時鐘電路模塊、存儲電路模塊、模擬處理電路、通信接口電路模塊及系統供電電池共同組成(如圖2所示)[9-10]。

圖2　通信模塊硬件系統框圖

嬰兒培養箱配置有溫度控制系統，對溫度進行實時的監測及控制。為了預防其出現故障，對溫度失去監測及控制功能，發生溫度過高而導致醫療事故，在其原有的溫度控制系統的基礎上，加裝一溫度監測模塊，實現溫度的雙重監測，進一步保障設備使用的安全。

溫度監測模塊設計主要是由溫度采集、液晶顯示及報警喇叭3部分組成，其中溫度采集部分由數字溫度傳感器DS18B20與中央控制器AT90S8535芯片實現；液晶顯示功能主要由顯示屏LCD和芯片AT90S8535及MAX232A實現；報警喇叭功能由芯片IC555及16Ω蜂鳴器實現[11-12]。

3.2軟件設計

本系統的軟件分為通信軟件和上位機中央監測軟件兩部分。①在IAR Embedded Workbench開發平臺上，采用C語言編譯通信軟件，分別實現數據采集終端、路由器及協調器功能；②中央監測軟件利用VB匯編語言開發，并使用SQL Sever2000作為數據庫管理平臺，實現數據的監控管理。上位機監測軟件主要負責對網絡系統中的全部采集節點進行可視化的管理，包括整個采集終端節點實時監控、狀態異常報警、數據存查、節點信息管理、系統用戶管理以及系統參數設置等功能。

系統的協調器(主節點)的軟件流程主要功能是對網絡中各個子節點進行管理，接受各個子節點發送的數據信息，并將信息傳給上位機進行數據處理和保存(如圖3所示)。

圖3　協調器軟件流程圖

系統的路由設備和數據采集控制終端由子節點路由器和子節點構成，子節點是整個系統數據采集的主要執行部件，主要功能是采集嬰兒培養箱的溫度、濕度信號數據，并將數據發送給路由器或協調器。路由設備在完成數據接收的同時，還具有ZigBee網絡的數據路由中繼的功能[13-15]。路由器及終端設備的軟件流程如圖4所示。

圖4　路由器及終端設備軟件流程圖

3.3軟件功能

通過中央監控系統界面，可方便地監控到整個網絡嬰兒培養箱設備的運行情況。界面中參考溫度(紅色)為溫度監測模塊監測到的溫度，操作人員可方便地觀察到雙系統溫度監測的結果(箱溫及參考溫度)，當其溫度差值超過設定值時，系統將發生警報，提醒注意。系統數據數據庫的建立，為數據的統計與分析奠定基礎，其功能為：①可通過有關數據對設備性能進行預測及評估；②報警記錄信息可幫助工程技術人員對經常發生的故障進行早期處理，防止故障的發生；③通過對參數數據的分析，總結出最合適治療患兒的環境條件，有助于提高臨床救治率(如圖5所示)。

圖5　上位機監測軟件主界面圖

4　溫度和濕度傳輸監測系統測試與調試

4.1串口調試助手測試

對網絡的數據傳輸情況進行測試，主要方法是利用串口調試助手軟件，對網絡發送給協調器的數據進行監測并顯示(如圖6所示)。

圖6　串口調試助手測試界面圖

做好網絡的建立及子節點加入網絡的準備工作，當組網完成后，終端節點進入工作狀態，并對設備參數數據進行周期性的采集及發送。在協調器連接的PC機上，通過串口調試助手軟件將協調器接收到相關數據顯示出來。圖6所顯示的為OX796F的終端發來的數據，在每組數據中，分別包含了箱溫(Temp1)、膚溫(Temp2)及濕度(Hum)3個信息數據，發送間隔為30 s。

軟件串口通訊設置：串口號COM3，波特率9600 b/s，數據位8位，停止位1位，無校驗位。

4.2雙系統溫度穩定性測試

對溫度監測模塊與系統溫度監測兩方面的監測值，進行多次反復測試，收集足夠的數據量，來證實設計的溫度監測模塊監測的溫度數值與系統的一致，并具有參考作用，如此真正地體現雙系統的功能價值。①將溫度監測模塊的溫感探頭用雙面膠固定于嬰兒培養箱箱內靠后部中間，距箱底10 cm的位置，通過給設備設定一系列不同的溫度值，分別由雙系統進行溫度監測；②對比兩者的溫度值的差異，其有關數據見表1。

表1　雙系統溫度實測數據對照表

對照表1顯示，8組監測的數據中，其中有4組的數據是完全一致的，其他的4組雖然存在數據偏差，但數據差值均在0.2 ℃以內，且偏差率在0.5%左右。在設備表明書上關于對溫度允許誤差≤0.8 ℃，根據該要求標準來衡量，監測到的4組數據的差值在允許范圍，故溫度監測模塊所監測的溫度具有參考意義，雙系統的溫度監測穩定性的測試通過。

此外，分別使用超級終端和數據分析軟件對系統的組網及數據傳輸進行測試，還對系統的溫度報警功能、數據顯示、路由重建功能、傳輸距離以及路由器加裝等方面性能做了相關測試，其測試結果均通過驗證。測試結果證實系統構建及設計的可操作性及實用性，為后期更深層次的研究及系統的完善提供了充分的依據。

5　溫度和濕度傳輸監測系統測試結果

(1)構建溫、濕度信號傳輸與監測網絡系統，具有將嬰兒培養箱工作溫、濕度參數進行采集、傳輸及中央監測的功能。

(2)設計溫度監測模塊，對嬰兒培養箱的溫度進行二次監測，是設備自身溫度監測系統的補充，形成雙重保障，極大提高設備使用安全性。

(3)網絡系統的各項功能與性能均正常并通過了測試，其中雙系統溫度監測的誤差值僅為0.5%，溫度監測模塊相對設備自身系統，所監測的溫度值具有參考意義。ZigBee網絡的無障礙傳輸距離為60 m，非視距傳輸可穿透厚度為30 cm的鋼筋混凝土水泥墻。通過在信號拐點進行加裝路由器，解決了遠距離有阻隔房間信號無法傳輸的問題。

(4)系統可以自由靈活地對溫度報警上、下限進行設置，且溫度超限可觸發報警，同時可在軟件界面操作并觸發，溫度異常設備配置的溫度監測模塊發出報警，起到預警提示作用。

6　結論

ZigBee技術可用于溫、濕度信號的傳輸，設計的溫濕度傳輸監測系統實現了嬰兒培養箱網絡數字化集中監控管理的構想，進一步滿足臨床對設備安全使用的需求。溫度監測模塊能很好地完成二次監測功能，構成雙系統測溫機制，可雙重保障設備安全有效地運行。ZigBee網絡盡管在理論上其無障礙傳輸距離為60 m，但在有障礙物如＞30 cm墻體下會使信號阻隔，故需在信號拐點處加裝路由器解決信號的接力傳輸。測試結果表明，各項功能均正常、穩定，證實了該網絡方案的可行性及穩定性，為今后ZigBee技術在臨床上的應用提供了理論及實踐支持。

本研究結合醫院嬰兒培養箱網絡數字化的需求，提出基于ZigBee技術，構建嬰兒培養箱中央監控網絡的解決方案，并設計與實現適于嬰兒培養箱的溫度、濕度信號傳輸及監測系統，實現了嬰兒培養箱的網絡集中管理，解決設備實際使用存在的問題，保障設備的安全使用，提高臨床工作效率[16]。

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Research and development of temperature and humidity transmission and monitoring system based on ZigBee

/CAI Dong-jiang,WU Ping-feng,WU Xiang-jun,et al//China Medical Equipment,2016,13(3):13-17.

[Abstract]Objective:To establish the network system,monitor the infant incubator,grasp the operation state of the equipment in real time,and ensure the safe and effective operation of the equipment,and to improve the efficiency of the work.Methods:Using CC2430 as the core chip,combined with network topology and Z-AODV routing algorithm,the construction of wireless monitoring network.We use respectively using C,VB language compiler the transmission and monitoring software,to achieve the temperature signal transmission and monitoring.Results:The system has the function of collecting,transmitting,displaying and monitoring the temperature and humidity parameters of infant incubator.The function and performance of the system are tested by the correlation tests.Conclusion:the study confirmed the feasibility and stability of the network plan,and provided the theoretical basis and technical support for the clinical application of ZigBee technology in the future.

[Key words]ZigBee technology;Temperature;Humidity;Transmission monitoring system;Infant incubator

收稿日期：2015-12-20

作者簡介

*基金項目：惠州市科技局項目(2015Y081)“基于ZigBee的嬰兒培養箱溫濕度信號無線傳輸監測系統的研發”

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.003

[文章編號]1672-8270(2016)03-0013-05

[中圖分類號]R197.324

[文獻標識碼]A

*專利：國家實用新型專利(201520223939.4)