基于ZigBee技術的病房環境智控系統設計

朱珍林

(四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065)

基于ZigBee技術的病房環境智控系統設計

朱珍林

(四川大學 電子信息學院，四川 成都610065)

針對日常生活中人們對病房環境集中監控的要求，著力于節約成本、遠距離測控、大范圍監控等問題，圍繞SZ05模塊進行了智能控制系統的設計與實現。該系統采用msp430單片機作為下位機控制器，將采集到的溫濕度、光強和煙霧信號經過SZ05模塊組成的ZigBee無線傳輸網絡傳到上位機；用VB編寫上位機的操作監控圖形界面，可以在上位機上實時顯示各種采集的信息，并可控制下位機溫濕度和光強度達到理想值。測試結果表明，系統具有性能穩定、管理靈活、功耗較低等優點。

ZigBee；傳感器；VB；智能監控

0 引言

病人及早產嬰兒等在經過治療之后，預后處理也是急需解決的問題，不僅要讓他們處于適宜的溫濕度之中，而且還要求光強度不能超過合理范圍之內，另外煙霧肯定也會影響他們。因此，對于病房的環境監控就顯得很重要了。傳統的對于病房環境的監控大多采用人工手動的方式，這樣既浪費人力又不方便管理。本系統主要監測的是房間中的溫濕度、光強度以及是否有煙霧，可在多個房間布置終端節點，通過組建一個星型網的方式對多個節點的數據集中監控，能夠在異常報警的情況下控制溫濕度以及光強度達到合適的范圍。

1 方案設計

圖1是系統單個終端節點框圖。系統采取的組網方式是星型網，下位機的控制器選用msp430單片機，msp430是一款可以實現極低功耗單片機。終端的數量可結合實際情況設定。系統工作原理：傳感器將采集到的數據通過下位機控制器msp430傳到ZigBee模塊1，并在顯示器上顯示，ZigBee模塊1通過路由器ZigBee模塊2傳到中心節點ZigBee模塊3，再通過串口將數據傳送到PC。在PC上用VB編寫串口軟件，實時顯示各種數據的變化曲線。溫度和濕度以及光強可經過人為設定，并發送控制命令經ZigBee網絡送到下位機，下位機比較設置值，從而控制加熱繼電器和風扇繼電器，直至溫濕度達到設定值，通過改變輸出PWM波的占空比來控制燈光強弱。聲光報警器主要用于對異常情況報警。最終PC通過以太網通信接口實現遠程通信。

圖1 系統框圖

2 硬件設計

系統主要由傳感器采集部分、ZigBee數據傳送部分、控制電路以及串口部分組成。

節點電源模塊的設計選用AMS11173V3芯片，系統設計為USB供電方式或干電池供電，預留鋰電池接口，供電電源之間可無縫切換，電源模塊主要為系統提供穩定3.3 V電壓[1]。

ZigBee模塊選用順舟公司的SZ05模塊，它采用了加強型的ZigBee無線技術，具有通信距離遠、組網靈活、抗干擾能力強等優點和特性，可實現多設備間的數據透明傳輸。它在無干擾情況下通信距離為100～2 000 m[2]。它主要分為三種傳輸模式：單播、主從、廣播。系統中將所有節點設為主從模式，此模式下非中心節點默認將數據發往中心節點，中心節點可根據非中心節點的具體地址發送數據，這樣便可組成一個星型網[3]。在系統中SZ05的主要功能是對串口通信和ZigBee無線通信相互轉換，通過無線ZigBee進行組網通信。它的硬件電路比較簡單，將單片機的P1.1與SZ05的RXD腳相連，P1.2與TXD腳相連并接上電源和地即可，在串口調試助手中將串口波特率設置為9 600 b/s，8位數據位，1位停止位，無校驗位，無流控。

溫濕度傳感器選取SHT11,它采用COMSENSTM技術，不僅將溫度與濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大器、模數轉換器、IIC總線電路等全部集成在一起[4]。SHT11與單片機連接圖如圖2所示，只需將DATA引腳和SCK引腳分別與msp430的P1_3，P1_4相連。

圖2 SHT11與單片機電路圖

光強度傳感器模塊為GY-30，煙霧傳感器選用MQ-5氣敏式煙霧傳感器，可控硅觸發電路主要采用可控硅絕緣驅動器MOC3061[5]。可將傳感器設置為定時采集溫濕度。

3 軟件設計

在設計中，下位機的主要功能是利用傳感器采集數據并實時顯示，將采集到的數據通過串口發送到ZigBee模塊SZ05，再經過ZigBee網絡發往上位機。接收上位機控制信號通過控制加熱繼電器以及風扇繼電器和改變輸出PWM波占空比來調節溫濕度以及光強度。下位機的總程序流程圖如圖3所示。

由于要巡回采集3路傳感器數據，先編寫定時器周期函數，以固定周期巡回采集，周期設置為100 ms，空閑時間關閉傳感器電源以降低功耗，將采集的溫濕度、光強度等數據進行打包，msp430通過串口將數據發送到SZ05。由于設置所有SZ05芯片為主從模式，此時不必發送地址信息，通過發送函數直接發送數據即可。

其中PWM波形是通過兩個定時器中斷控制產生，一個定時器用來改變周期內高電平持續的時間，由此便可控制LED燈的燈光強度，而另一個定時器則主要用來產生PWM基波[6]。部分代碼如下，通過改變light的值可以改變光的強度。

static char light=0;

light=light+1;

if(light==light_pwm)

HalledSet(HAL_LED_OFF);

if(light==10)

{

HalledSet(HAL_LED_ON);

light=0;

}

圖3 下位機控制器流程圖

上位機采集數據時，首先配置傳感器參數并發送讀取參數命令，當串口接收中斷被觸發時，就意味著有數據進入，此時可對數據進行分析，并提取傳感器數據。最后將數據在界面上顯示。

上位機中，主要是實時將終端節點傳送過來的數據顯示在GUI上，并可通過GUI發送控制命令，如調節溫度和調節濕度等。為了控制方便，用VB6.0編寫用戶控制界面，為了便于用戶管理，所有的控制命令均在此處發出。將串口控件參數配置為：波特率9 600 b/s、8位數據位、1位停止位、無奇偶檢驗位，同時，所有串口參數的配置要一致。

首先令Comm1.RThreshold=1，這樣，接收緩沖區中每來一個字符，MSCom控件便產生一個onComm事件。其次設置各種發送命令按鈕，例如設置Command8為單擊升溫事件，當發生此事件時，發送調控數據前會先發送地址[7-8]。軟件中令Command10為關機命令按鈕，當它按下時，將相應的數據保存在一個名為data的文件中，以便在下一次開機時能恢復到上次關機狀態。操作界面如圖4所示。

圖4 操作圖形界面

4 系統測試

為方便起見，只在一個房間布置一個終端節點測試，以測試溫度和光強為例。將采集的溫度傳感器數據以溫度計測量的數據為基準，如圖5(a)所示，采用雙折線的方式在Excel軟件中進行對比[9]。在上位機中發送亮度值為3 750的指令，如圖5(b)所示。可看到終端輸出占空比為75%的PWM波形調光信號。

圖5 測試結果圖

可以看出，溫度與實際溫度比較接近，證明本設計對于溫度的處理有較高的精度，同時，光強的控制也符合期望。限于篇幅對于其他測試不再贅述。

5 結論

本系統最具特色之處是利用ZigBee無線自組網絡成功實現了對病房環境的遠程監控，克服了管理落后、單一控制、人員浪費等問題。本文主要從硬件設計和軟件設計兩個方面進行了闡述，測試結果表明，相比于傳統設計，本系統具有低功耗、穩定性好等優點，所設計的節點符合802.15.4協議，還可與其他符合該協議的產品連接，因此還具有可擴展性，達到了預期的設計目標。

[1] 余歡.基于ZigBee和Android技術的智能家居監控系統設計[J].工業控制計算機，2015,28 (4)：73-75.

[2] 沙占友.集成智能傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2004.

[3] 劉志成，牛建林.教室燈光智能控制器設計[J].電子測量技術，2013,36(4)：32-35.

[4] 劉貞賢，陳祥光，赫永霞.一種新型的傳感器網絡[J].現代電子技術，2013,36(16)：18-20.

[5] 彭燕.基于ZigBee無線傳感器網絡研究[J].現代電子技術，2011，34(5)：49-51.

[6] 張同翰，王正彥，袁雙,等.基于CC2530的ZigBee的智能家居系統設計[J].工業控制計算機，2015,28(4):75-78.

[7] 孫彩云.基于ZigBee的無線組網技術研究[D].太原：中北大學，2011.

[8] 辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee的物聯網智能家居控制系統[J].電子技術應用，2013,39(12)：79-81.

[9] 崔冰清，褚麗莉，杜仁鵬.基于單片機和GSM的智能家居系統的設計[J].微型機與應用，2017,36(7)：50-52.

Design of ward environment control system based on ZigBee

Zhu Zhenlin

(Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In view of daily life of ward environment centralized monitoring requirement,this paper focuses on the problems such as cost savings,remote measurement and control,and wide range monitoring,and around SZ05 module designs and implements the intelligent control system. This system takes msp430 single chip microcomputer as lower PC,and the temperature and humidity,light intensity,and smoke signals collected are transmitted to apper PC by ZigBee wireless transmission network which is composed of SZ05. It uses VB to write a graphical interface of upper PC,which can on the upper PC in real time display all kinds of information collected,and control the temperature and humidity and light intensity of lower PC to achieve the ideal value. Test results show that the system has stable performance,flexible management,and low power consumption.

ZigBee; sensor; VB; intelligent monitoring

TN92

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.031

朱珍林.基于ZigBee技術的病房環境智控系統設計J.微型機與應用，2017,36(24)：109-111.

2017-05-26)

朱珍林(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：基于無線自組織網絡的測控系統設計。