基于ZigBee的医用仪器仓库无线监测系统设计

唐艳凤　张亚婉　陈富树

摘要：医用仪器对存储条件要求苛刻，故针对医用仪器存储的特殊性，设计了一套医疗仪器仓库无线监测系统。以ZigBee芯片CC2530为主控器，将主控芯片与DHT21数字温湿度传感、MQ-2烟雾传感器组成以中央集線器为中心的星型拓扑无线网络结构，通过串口通信，将环境监测信息传输至计算机终端设备，通过ESP8266 WiFi模块传送到移动电话终端，该系统能对异常情况及时做出报警响应。经实验数据证明，该无线监测系统能快速获取环境实时数据，性能稳定可靠，是一款低功耗、高效率的无线监测系统。

关键词：ZigBee技术;无线监测;医用仪器;ESP8266

中图分类号：TP274 文献标志码：A

文章编号：1009—9492（2021）03—0123—03

0引言

随着人们生活水平的提高，大家的健康意识逐步增强，对医疗仪器、医学美容仪器的需求越来越大，医用仪器的种类和数量都在不断增加。与此同时，医用仪器的安全管理和存储问题变得越来越突出。由于医用仪器使用的特殊性和专业性，对其存储条件的要求越来越高。

本文从医用仪器仓库的安全管控角度出发，为了将医用仪器安全地存放在仓库中，需要自动监测其环境参数并要求系统长期稳定运行。ZigBee技术具有的功耗低、延时短、成本低、容量高等特点恰好满足这一需求。本文基于ZigBee技术设计了医用仪器仓库无线监测系统，并根据医用仪器仓库环境特点选取合适的网络拓扑结构，将数字式温湿度传感器、烟雾传感器监测到的环境参数实时上传到计算机终端和移动电话终端，解决了医用仪器仓库环境监测布线困难、成本高、灵活性差的缺点，为危险化学品、大型仓库等领域进行环境监测提供便捷、快速、安全的方式。

1系统概述

ZigBee可进行双向的无线通信，一般使用于距离近、功耗要求低和安全性高的无线网络通信中。星型拓扑结构采用以ZigBee协调器为中心的网络，所有的设备要传输信息都需要通过协调器来进行。此结构容易搭建，适用于节点数目少、中距离无线传输信息的仓库无线监测系统。本设计中环境感知测量主节点被设置为协调器。协调器拥有最多的网络消息，其主要负责将网络信标进行发送、无线网络的建立以及对网络中的环境监测节点进行管理、收发数据。环境感知测量节点被设置为无线网络中的终端。

无线监测系统可实现仓库环境参数的持续监测、上报及超限值报警。结合ZigBee无线通讯技术与串口通信技术、ESP8266物联网通信技术，采用温湿度传感器和烟雾传感器组成下位机采集模块，通过串口通信将数据发送至上位机计算机端，用VC++6.0编写上位机控制程序，分析环境参数并做出决策。通过ESP8266 WiFi模块将数据发送至移动电话APP端，实现移动终端的实时监控。该无线环境监测系统以CC2530单片机为核心，通过温湿度传感器、烟雾传感器、ZigBee测量节点、ZigBee测量协调器主节点带网关、上位机软件、移动电话APP等完成对环境信息的测量、传输、显示及报警。系统框图如图1所示。

2硬件电路

2.1 CC2530片上系统

选用CC2530片上系统作为采集处理和无线收发环境参数的主处理器。其是一款低成本、低功耗的控制器。拥有Zig-Bee协议栈，同时自带8051内核，应用函数库可以快速实现功能的调用，再配合相应调试工具，能够捕获信道的数据，实现在线调试。CC2530芯片及周边元件已经集成在一块电路板上，可用引脚均已引出。

2.2测量节点模块电路

测量节点模块作为仓库环境参数采集的基本单元，系统中各测量节点模块均以CC2530芯片为处理中心通过搭载温湿度传感器、烟雾浓度传感器，实现对库区温度、湿度、烟雾等信息的采集。系统选用DHT21温湿度传感器采集温湿度信息。DHT21测量湿度范围为0～99.9%;测湿精度为±3%RH;测温范围为-40～+80℃;测温精度为±0.5℃;分辨率为0.1%RH/0.1℃。系统选用MQ-2烟雾传感器采集仓库烟雾信息，MQ-2适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，其检测可燃气体与烟雾的范围100～10000 mg/L。

传感器将采集到的信息进行处理，并打包通过ZigBee无线网络发送到测量协调器主节点。考虑到节点的便携性、实用性及功耗，节点配备了1200 mA·h的3.7V可充电锂电池，采用具有恒定电流和恒定电压的线性充电器TP5410对系统锂电池进行充电。TP5410可以提供高达1000 mA的可编程充电电流，通过改变控制引脚P0.1_BTN电平即可改变充电电流。待机状态下的供电电流小于10 IxA。短按开关按键可以暂停或打开发送数据到协调器主节点，主控芯片通过监视P0.1_BTN引脚电平，在主程序中设计短按触发相应的处理事件。系统功能配置电路如图2所示。

2.3协调器主节点电路

测量协调器主节点在整个ZigBee无线网络中负责建立网络、绑定节点终端完成组网和数据无线收发，同时将各节点环境信息数据上传到上位机和移动电话APP端。协调器主节点需要收集各个节点的数据后与上位机以及移动电话进行通信，在协调器电路的设计中使用CH340串口电路和ESP8266 WiFi模块。图3所示为USB转串口CH340芯片通信应用电路。

加入ESP8266 WiFi模块，方便系统接入互联网进行远程测量和监控。ESP8266 WiFi模块可以通过AT命令设置为服务器模式、终端模式、服务器加终端这3种模式。本系统设置WiFi模块为Soft AP+Station模式，用户的移动终端可以作为Station连入ESP8266的服务器接口，可以将ESP8266作为终端连上路由器，用户移动终端同时连上路由器，通过在移动终端软件上设置对应的网络端口，移动终端用户可以通过云端监控仓库的环境信息。图4所示为ESP8266WiFi模块接口电路。

3软件设计

基ZigBee的医用仪器仓库无线监测系统，由协调器主节点、测量节点构成测量网络。系统的软件设计分为协调器主節点程序和测量终端节点程序，均采用C语言编写。本设计中，构建ZigBee无线传感器网络软件开发环境采用IAR Embedded Workbench，采用的协议栈是TI的Z-STACK。本设计系统程序应用Z-Staek-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈的Sam-ple APP进行设计开发。

3.1协调器节点软件

环境测量协调器主节点上电后，首先会进入初始化函数，初始化相应的GPIO端口和各应用层;再调用ZigBee设备对象层的初始化函数，进行网络初始化操作，从而创建一个无线环境监测系统测量网络。网络创建后，环境监测测量协调器主节点会逐一检测当前可用信号通道的强度，再根据其强度进行筛选，选择信号强度在一定范围值得信道来作为该无线网络中数据传输的信道。并为这个新建的网络分配一个唯一的16位网络标识符。协调器主节点的程序设计流程如图5所示。

3.2测量节点软件

环境监测节点上电之后，首先会进入初始化函数，然后扫描附近是否有ZigBee无线网络的存在。如果扫描到附近有相应网络存在时，Network层会向ZigBee设备对象层发送网络存在消息，然后Network层向信号强度较强的网络发出加入网络绑定请求;绑定网络成功后，则Network层会向ZigBee设备对象层提供加入网络状态的消息。节点加入网络成功后不断地通过环境监测传感器对所处环境的温湿度和烟雾浓度进行测量，将测量到的数据进行处理打包，并通过ZigBee无线网络发送至环境监测协调器主节点做进一步的处理。测量节点程序设计流程如图6所示。

3.3环境监测系统上位机

环境监测协调器主节点将各测量节点所采集到的环境信息处理汇总通过串口发送到计算机端上位机进行显示监控。图7所示为计算机端上位机的界面图，显示界面中的坐标轴会跟随测量物理量的不同而自动调整。通过配置串口通信的相应控件，使得系统测量到的数据能够实时地进行显示和监控。

3.4环境监测系统Android应用程序

环境监测的应用程序，可以实时查看各节点的温湿度数据和烟雾浓度数据，同时拓展了控制功能，通过对界面上相应功能按键的操作，可以实现对相应模块的调控。Android应用程序启动后会提示用户进行网络服务器IP地址的连接，用户按提示信息打开移动终端的WiFi网络设置进行网络连接，如图8所示。用户填写环境监测协调器主节点的服务器IP地址，应用程序写入默认端口，移动终端用户不需要输入。

Android应用成功连上路由网关设备之后，环境参数测量节点的数据会显示在相应的终端区域，同时在下方会显示当前接收或发送时的数据，方便调试应用。如图9所示。

4系统测试

对系统进行硬件电路测试和软件电路测试。硬件电路主要包括充电电源电路、电池放电性能、按键开关动作、系统正常工作电流、系统待机工作电流、无线发射接收信号强度等，硬件电路工作正常。软件测试主要包括通信质量、信息采集数据及警报是否正常。试验使用1块CC2530板作为协调器，4块CC2530板作为终端节点。协调器收到终端节点数据后传输到上位机和移动电话终端，系统终端监测到的数据与标准仪器测量结果基本一致，通过上位机设置阈值，温湿度、烟雾浓度超限，上位机和移动电话端均可及时报警，系统运行稳定。

5结束语

本文针对医用仪器仓库建立的无线监测系统，可以连续、稳定、准确地采集环境信息，并通过不同的通信方式分别传输到上位机端和移动电话APP端，实现实时监控。并设置自动报警系统，最终达到加强医用仪器仓储安全管理的目的，具有较强的实用价值。后续研究中，进一步加强研究发生警报后如何自动消除警报的联动系统，提高无线监测系统的自动化和智能化。