婴儿培养箱的智能警报装置

武磊　李军　张雯　王耀弘

摘 要：婴儿培养箱是为刚出生的体弱多病的婴儿提供治疗的设备，设备的可靠性关乎婴儿的生命安全。文章介绍了一种新型的婴儿培养箱智能警报装置，该装置通过结合传感器、单片机、GSM模块和声光警报器，可实现对婴儿培养箱的实时监控、警报，当婴儿培养箱发生故障时，该装置会针对不同的情况做出不同的反应，以保障婴儿的生命安全。

关键词：婴儿培养箱；智能报警装置；传感器

1 概述

婴儿培养箱是为早产儿和病婴提供了一个空气净化温湿适宜，类似母体子宫的优良环境。婴儿培养箱内的温湿度可根据需要设定。目前国内还没有对婴儿培养箱实时监控的智能装置，因此设计一种婴儿培养箱的智能警报装置是非常有必要的。文章结合《JJF 1260-2010 婴儿培养箱校准规范》和《GB 11243-2008医用设备：婴儿培养箱安全专用要求》，设计了一种智能监控警报装置。该装置采用的是分项集成式测量，可同时测量5个不同位置的温度参数，任意一点的温度参数、氧含量参数以及噪声参数，再与单片机、GSM模块、扩音设备等结合，达到自动监控警报的功能。

2 系统的工作原理

系统主要包括硬件和软件两个模块。硬件模块主要由信号调理电路、数据采集器、计算机构成。信号调理电路用于对电压信号进行放大、滤波等处理。数据采集器用于采集、模数转换电压信号，并通过串行总线方式将采集数据发送给单片机。单片机用于处理、分析、显示数据。软件模块主要是对单片机进行编程，让其能对接收到的数据进行处理，并控制声光警报、中断器、GSM模块等。

系统的工作原理是传感器将婴儿培养箱内的环境参数采集以后，传送到数据采集卡处理，再将数据传送到单片机。单片机的工作方式为：

（1）单片机将对接收到的数据与设定的参数进行比对，若收到的数据不在单片机启动工作所设定的参数值内，单片机不做出任何反应，培养箱正常工作。

（2）若氧含量参数、湿度参数、噪声参数中的任何一个参数在设定的参数值内，温度参数值大于设定的值但未超过38℃时，单片机将控制声光警报装置响起，若60秒内无人来关闭开关，则单片机将控制GSM模块工作，向该院的负责人、该培养箱的工作人员发送信息进行通知，直到工作人员按下复位开关，单片机重新对接收到的数据进行判断。

（3）若温度参数值大于设定的值且超过38℃时，单片机将控制声光警报装置响起，GSM模块立刻工作向该院的负责人、该培养箱的工作人员发送信息进行通知，并且单片机立即控制切断婴儿培养箱的电源。

3 硬件设计

3.1 传感器选型

本装置的硬件部分设计主要的功能是对婴儿培养箱环境参数的测量、放大、滤波等调理工作。设计过程中根据不同的参数选用不同的传感器、数据采集卡以及放大调理电路。

温度测量模块选用Pt100作为测温元件。Pt100 的氧化性介质中，甚至在高温环境下，其物理、化学性质不会发生较大的改变，具有高精度、较好的稳定性、性能可靠的特点，在0℃到60℃内应用广泛。氧含量测量部分选用的是英国Alphasense公司的（O2-A2）氧气传感器，该传感器最主要的功能室测量大气中氧气的浓度，具有较高的使用寿命，不同氧气浓度下的输出是线性关系满足我们使用的要求。湿度测量模块选用的是瑞士SENSIRIO公司生产的FLEX2000TH温湿度测量模块，该模块的传感器具有高稳定性、快速响应、较强的抗干扰能力等贴点，在测量湿度方面具有广泛的应用。噪声测量模块，选用的是爱华AWA5636声级计。爱华AWA5636型声级计是一种数字化显示、具有多种功能的声级计。采用AWA14421型预极化测试电容传声器，使用数字检波技术，具有可靠性高、稳定性好、动态范围宽，可用于工业噪声测量以及环境噪声测量。

选用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集热电阻输出的信号。ADAM-4015是一个16位的A/D六通道热电阻输入模块，其通过RS485进行数据的传输，可以同时对多个点的温度数据进行采集，采集精度可达到正负0.1%。采集环境中的氧含量参数选用的是研华ADAM4017+。ADAM4017+是一个十六位的A/D 八通道的模拟量输入模块，输入的信号可以是电流信号也可以是电压信号，支持八路差分信号，支持应用广泛的Modbus协议，其输入的范围可以使4-20mA的电流，满足我们使用的氧含量传感器输出的要求。对于噪声信号的测量，调试过程中发现计算机的信号会对声级计的本底噪声造成干扰，故设计了一个光耦隔离器，通过高速光耦讲声级计输出的信号进行隔离传输，确保信号不会受到干扰。

3.2 GSM通讯模块

警报信息的发送选用的GSM模块是Siemens公司推出的TC35无线通信模块，可高效迅速的将系统中设定的警报内容发送到系统指定的人员。模块的工作电压为3.3-5.5V，其工作频段为900MHz和1800MHz，工作于900MHz频段时所耗功率为2W；工作于1800MHz频段时所耗的功率为1W。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。

4 软件设计

为了提高单片机处理时的速度与效率，程序采用了中断分别用于警报和串口数据的接收和发送，介于单片机中断优先级只有高低两级之分。警报信息响起后相关人员关闭警报所采取的办法是通过按钮使单片机复位。当单片机受到的信号处于让单片机工作的范围内时，圣光警报响起以警示婴儿培养箱的工作人员，若在GSM模块延时工作的时间内接收到复位信号，则取消警报。如果在规定时间内没有取消，则开始通过GSM发送警报信息至提前设置好的联系人；若温度超过38℃，GSM模块直接工作，且控制中断器切断婴儿培养箱电源。

5 结束语

文章设计的一种婴儿培养箱只能警报装置是由氧分析测量模块、湿度测量模块和温度测量模块以及噪声测量模块组成。同时，所采集到的信号的精度和要求皆满足《JJF 1260-2010 婴儿培养箱校准规范》。采集信号通过与单片机中设定的参数进行对比，若采集到的参数在所设定的值内，单片机控制声光警报、GSM模块等工作。该装置能够实现婴儿培养箱发生事故时的智能警报，减少婴儿所受到的伤害，及时挽救和保护婴儿。

通过对所采集的数据进行计算分析以及测试试验，实验结果表明该婴儿培养箱想警报装置的技术指标和性能完全满足《JJF 1260-2010婴儿培养箱校准规范》的要求。该装置操作简单且具有較高的测量精度及分辨率，且具有良好的人机交互功能。同时为了提高检测的准确性和可靠度，系统在传输线的信号干扰设计方面进行了完善，避免检测过程中信号干扰产生较大误差。

参考文献

[1]JJF1260-2010.婴儿培养箱校准规范[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2]GB11243-2008.婴儿培养箱安全专用要求[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]辜卫国.基于无线数据传输的婴儿培养箱检测仪的设计[J].工程与实验，2012，52（3）：64-65.

[4]王平均.智能婴儿培养箱的检测仪[J].上海计量测试，2013（5）：31-39.

作者简介：武磊（1991-），男，贵州毕节人，硕士研究生，主要从事机电设备设计与控制研究。