基于ZigBee技术的温湿度传输监测系统的研发*

蔡东江　吴平凤　吴响军　肖统生　胡 戈　彭任君



基于ZigBee技术的温湿度传输监测系统的研发*

蔡东江①吴平凤②吴响军①肖统生①胡 戈①彭任君①

[摘要]目的：构建温湿度传输监测网络体系，对婴儿培养箱进行集中监测，实时掌握设备运行状态，保证设备安全有效运行。方法：采用CC2430为核心芯片，运用网状拓扑结构及Z-AODV路由算法，构建无线监测网络；分别运用C语言、VB语言编译传输及监测软件，实现婴儿培养箱温度、湿度信号传输及监测。结果：该系统具有将婴儿培养箱温度、湿度参数信号进行采集、传输、显示及监测的功能，系统的各项功能与性能均通过相关的测试。结论：该温湿度传输监测网络方案具有较高的可行性及稳定性，为今后ZigBee技术在临床上的应用提供了理论依据与技术支撑。

[关键词]ZigBee技术；温度；湿度；传输监测系统；婴儿培养箱

①惠州市第一人民医院医学工程部 广东 惠州 519000

②北京大学深圳医院设备科 广东 深圳 518036

蔡东江,男,(1981-),硕士，高级工程师。惠州市第一人民医院医学工程部，从事医疗设备管理与维修工作。

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

婴儿培养箱是一种用于提供和维持适合新生儿生存环境条件的医疗设备，包括温度(箱温、肤温)和湿度的控制。由于新生儿的自身抵抗力非常虚弱，设备的安全和稳定性就尤为重要，如有不慎则会造成婴儿培养箱因温度过高而导致医疗事故[1]。婴儿培养箱属于高风险医疗设备，国家食品药品监督管理局印发的有关“国家重点监管医疗器械目录(2009年版)”中明确地将婴儿培养箱列为重点监管设备之一[2]。如何让有限的医务人员在面对数十台处于工作状态的婴儿培养箱时，能根据患儿情况变化及时进行参数调整，出现报警快速做出反应，有效地监控设备运行状况等，已经成为临床急需解决的难题。

本研究结合医疗设备移动性、短距离以及低速率数据传输等特点，经充分分析各常用的短距离无线通信技术的特性，选用新兴、低功耗的ZigBee无线通讯网络技术构建婴儿培养箱中央监测系统，以实现共享数据、便利诊疗，并实现数据传输、显示及报警监测，达到设备安全控制和提高工作效率的目的。

1　温度和湿度传输监测系统研究目的与意义

针对婴儿培养箱实际使用所面临的困难，通过分析设备自身硬件及软件特点，提出基于ZigBee无线网络技术，构建温度、湿度无线传输监测系统，对实现婴儿培养箱使用的网络数字化管理具有极其重要的意义。

(1)运用ZigBee技术研发温度、湿度信号传输监测系统，并完成网络构建及状态监控，填补国内婴儿培养箱网络数字化研究的空白。

(2)集中监控管理设备，保证设备安全使用，保障患儿自身安全，防止医疗事故发生。

(3)提高工作效率，解决有限的医护人员面对数十台处于工作状态中的婴儿培养箱，而无法快速全面掌握其工作安全性的问题，减少需人工对每台设备运行状况进行监管的工作量。

(4)通过中央监控软件平台操作及管理，在时刻不间断监测设备安全运行的同时，轻松掌握患儿生存环境的状况，极大提高救治的成功率，提高临床工作效率。数据库数据为设备安全隐患故障的预先评估，及患儿的最适宜治疗的温湿度分析，提供全面的数据基础。

2　温度和湿度传输监测系统设计与功能

2.1系统设计

由于婴儿培养箱的工作状态数据传输方式是定时捆绑式传输，同时婴儿培养箱具有移动性的特点，应考虑使用动态路由策略。而网状拓扑(mesh topology，MESH)结构及MESH路由协议适合于节点移动比较频繁的场合[3-4]。当婴儿培养箱在移动且离开其路由器信号覆盖范围后，MESH路由协议能够对网络的路由路径进行重新计算，为脱离路由器的节点找出另一最佳路由，建立传输通道，确保数据的传输[5-6]。在构建网络系统时充分考虑了节点剩余能量及节点移动等容易导致网络延时的因素，采集MESH进行组网，选择Z-AODV路由算法实现MESH网络数据的传输。

在MESH网状结构中，所有终端节点设备与中继设备、网络协调器通信。温度、湿度传输监测系统包括婴儿培养箱、温度监测模块以及数据采集终端(end device)、路由器(router)、网络协调器(coordinator)和中央监控上位机，整体架构如图1所示。

2.2系统功能

(1)采集终端的具体功能。①采集婴儿培养箱的温湿度参数信息，并将数据信息发送给路由器或协调器设备；②子节点的低电压报警，如果子节点电压低于正常的工作电压时，则向路由器或协调器设备发送请求更换电池信号。

(2)路由器的具体功能。①负责接收采集终端发来的信息，并将其发送给协调器；②充当网络中继器的作用。

(3)协调器的具体功能。①负责整个网络的初始化，确定ZigBee网络的ID号，操作的物理信道，并统筹短地址分配，提供数据路由和安全管理服务；②通过USB接口与上位机监控终端进行数据通信；③对加入的各个子节点进行实时监控，如有某一子节点发生工作异常状况，如节点电压过低等，则发出相应的报警信息，显示在上位机监测终端的软件界面上。

(4)温度监测模块的具体功能。①监测婴儿培养箱箱体温度，与设备自身温控系统形成双重监测，保证设备安全稳定运行；②将监测的温度信息传送给数据采集终端，再由采集终端通过无线网络发送数据。

结合医院的实际情况，组建的ZigBee网络中包括6个温度监测模块、6个数据采集控制终端、3个网络路由设备及1个协调器设备。其中采集终端采用精简功能节点，路由及协调器设备采用全功能节点[7-8]。

3　温度和湿度传输监测系统硬件与软件设计

3.1硬件设计

图1　温度、湿度传输监测系统整体架构图

系统选用挪威半导体Chipcon公司生产的CC2430芯片，作为ZigBee微控制器，构建ZigBee通信模块平台。通信模块是由CC2430射频芯片模块、时钟电路模块、存储电路模块、模拟处理电路、通信接口电路模块及系统供电电池共同组成(如图2所示)[9-10]。

图2　通信模块硬件系统框图

婴儿培养箱配置有温度控制系统，对温度进行实时的监测及控制。为了预防其出现故障，对温度失去监测及控制功能，发生温度过高而导致医疗事故，在其原有的温度控制系统的基础上，加装一温度监测模块，实现温度的双重监测，进一步保障设备使用的安全。

温度监测模块设计主要是由温度采集、液晶显示及报警喇叭3部分组成，其中温度采集部分由数字温度传感器DS18B20与中央控制器AT90S8535芯片实现；液晶显示功能主要由显示屏LCD和芯片AT90S8535及MAX232A实现；报警喇叭功能由芯片IC555及16Ω蜂鸣器实现[11-12]。

3.2软件设计

本系统的软件分为通信软件和上位机中央监测软件两部分。①在IAR Embedded Workbench开发平台上，采用C语言编译通信软件，分别实现数据采集终端、路由器及协调器功能；②中央监测软件利用VB汇编语言开发，并使用SQL Sever2000作为数据库管理平台，实现数据的监控管理。上位机监测软件主要负责对网络系统中的全部采集节点进行可视化的管理，包括整个采集终端节点实时监控、状态异常报警、数据存查、节点信息管理、系统用户管理以及系统参数设置等功能。

系统的协调器(主节点)的软件流程主要功能是对网络中各个子节点进行管理，接受各个子节点发送的数据信息，并将信息传给上位机进行数据处理和保存(如图3所示)。

图3　协调器软件流程图

系统的路由设备和数据采集控制终端由子节点路由器和子节点构成，子节点是整个系统数据采集的主要执行部件，主要功能是采集婴儿培养箱的温度、湿度信号数据，并将数据发送给路由器或协调器。路由设备在完成数据接收的同时，还具有ZigBee网络的数据路由中继的功能[13-15]。路由器及终端设备的软件流程如图4所示。

图4　路由器及终端设备软件流程图

3.3软件功能

通过中央监控系统界面，可方便地监控到整个网络婴儿培养箱设备的运行情况。界面中参考温度(红色)为温度监测模块监测到的温度，操作人员可方便地观察到双系统温度监测的结果(箱温及参考温度)，当其温度差值超过设定值时，系统将发生警报，提醒注意。系统数据数据库的建立，为数据的统计与分析奠定基础，其功能为：①可通过有关数据对设备性能进行预测及评估；②报警记录信息可帮助工程技术人员对经常发生的故障进行早期处理，防止故障的发生；③通过对参数数据的分析，总结出最合适治疗患儿的环境条件，有助于提高临床救治率(如图5所示)。

图5　上位机监测软件主界面图

4　温度和湿度传输监测系统测试与调试

4.1串口调试助手测试

对网络的数据传输情况进行测试，主要方法是利用串口调试助手软件，对网络发送给协调器的数据进行监测并显示(如图6所示)。

图6　串口调试助手测试界面图

做好网络的建立及子节点加入网络的准备工作，当组网完成后，终端节点进入工作状态，并对设备参数数据进行周期性的采集及发送。在协调器连接的PC机上，通过串口调试助手软件将协调器接收到相关数据显示出来。图6所显示的为OX796F的终端发来的数据，在每组数据中，分别包含了箱温(Temp1)、肤温(Temp2)及湿度(Hum)3个信息数据，发送间隔为30 s。

软件串口通讯设置：串口号COM3，波特率9600 b/s，数据位8位，停止位1位，无校验位。

4.2双系统温度稳定性测试

对温度监测模块与系统温度监测两方面的监测值，进行多次反复测试，收集足够的数据量，来证实设计的温度监测模块监测的温度数值与系统的一致，并具有参考作用，如此真正地体现双系统的功能价值。①将温度监测模块的温感探头用双面胶固定于婴儿培养箱箱内靠后部中间，距箱底10 cm的位置，通过给设备设定一系列不同的温度值，分别由双系统进行温度监测；②对比两者的温度值的差异，其有关数据见表1。

表1　双系统温度实测数据对照表

对照表1显示，8组监测的数据中，其中有4组的数据是完全一致的，其他的4组虽然存在数据偏差，但数据差值均在0.2 ℃以内，且偏差率在0.5%左右。在设备表明书上关于对温度允许误差≤0.8 ℃，根据该要求标准来衡量，监测到的4组数据的差值在允许范围，故温度监测模块所监测的温度具有参考意义，双系统的温度监测稳定性的测试通过。

此外，分别使用超级终端和数据分析软件对系统的组网及数据传输进行测试，还对系统的温度报警功能、数据显示、路由重建功能、传输距离以及路由器加装等方面性能做了相关测试，其测试结果均通过验证。测试结果证实系统构建及设计的可操作性及实用性，为后期更深层次的研究及系统的完善提供了充分的依据。

5　温度和湿度传输监测系统测试结果

(1)构建温、湿度信号传输与监测网络系统，具有将婴儿培养箱工作温、湿度参数进行采集、传输及中央监测的功能。

(2)设计温度监测模块，对婴儿培养箱的温度进行二次监测，是设备自身温度监测系统的补充，形成双重保障，极大提高设备使用安全性。

(3)网络系统的各项功能与性能均正常并通过了测试，其中双系统温度监测的误差值仅为0.5%，温度监测模块相对设备自身系统，所监测的温度值具有参考意义。ZigBee网络的无障碍传输距离为60 m，非视距传输可穿透厚度为30 cm的钢筋混凝土水泥墙。通过在信号拐点进行加装路由器，解决了远距离有阻隔房间信号无法传输的问题。

(4)系统可以自由灵活地对温度报警上、下限进行设置，且温度超限可触发报警，同时可在软件界面操作并触发，温度异常设备配置的温度监测模块发出报警，起到预警提示作用。

6　结论

ZigBee技术可用于温、湿度信号的传输，设计的温湿度传输监测系统实现了婴儿培养箱网络数字化集中监控管理的构想，进一步满足临床对设备安全使用的需求。温度监测模块能很好地完成二次监测功能，构成双系统测温机制，可双重保障设备安全有效地运行。ZigBee网络尽管在理论上其无障碍传输距离为60 m，但在有障碍物如＞30 cm墙体下会使信号阻隔，故需在信号拐点处加装路由器解决信号的接力传输。测试结果表明，各项功能均正常、稳定，证实了该网络方案的可行性及稳定性，为今后ZigBee技术在临床上的应用提供了理论及实践支持。

本研究结合医院婴儿培养箱网络数字化的需求，提出基于ZigBee技术，构建婴儿培养箱中央监控网络的解决方案，并设计与实现适于婴儿培养箱的温度、湿度信号传输及监测系统，实现了婴儿培养箱的网络集中管理，解决设备实际使用存在的问题，保障设备的安全使用，提高临床工作效率[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

作者简介

*基金项目：惠州市科技局项目(2015Y081)“基于ZigBee的婴儿培养箱温湿度信号无线传输监测系统的研发”

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.03.003

[文章编号]1672-8270(2016)03-0013-05

[中图分类号]R197.324

[文献标识码]A

*专利：国家实用新型专利(201520223939.4)