嬰兒培養(yǎng)箱中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

金海霞，鮑俊成，陳綿康，左長山，劉燕

湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬十堰市太和醫(yī)院，湖北 十堰 442000

嬰兒培養(yǎng)箱中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

金海霞，鮑俊成，陳綿康，左長山，劉燕

湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬十堰市太和醫(yī)院，湖北 十堰 442000

目的 設(shè)計(jì)一套可以對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行無線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。方法 利用短距離無線通信技術(shù)為載體，采用STC89C52為控制核心，實(shí)現(xiàn)從機(jī)和主機(jī)之間的信息傳遞。結(jié)果 實(shí)現(xiàn)了各個(gè)培養(yǎng)箱的溫度信息能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳達(dá)到放置在護(hù)理站的主機(jī)系統(tǒng)。結(jié)論 經(jīng)仿真測(cè)試，該系統(tǒng)基本滿足了設(shè)計(jì)要求，其設(shè)計(jì)思想可以為其他醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)測(cè)提供理論參考。

嬰兒培養(yǎng)箱；STC89C52單片機(jī)；溫度傳感器；無線通信技術(shù)

0 前言

嬰兒培養(yǎng)箱是為早產(chǎn)兒、低體重兒、病危兒、新生兒提供一個(gè)類似母體子宮的培養(yǎng)環(huán)境的設(shè)備[1]。它的安全性能與嬰兒的人身安全直接相關(guān)，不容忽視。實(shí)際使用中，其操作與巡查多半是由值班護(hù)士來完成，在3級(jí)以上的醫(yī)療機(jī)構(gòu)或規(guī)模較大的兒童醫(yī)療中心，每天都有大量的患兒在培養(yǎng)箱中接受治療，護(hù)理人員一方面要完成必須的護(hù)理工作，另一方面還要定時(shí)對(duì)各個(gè)培養(yǎng)箱進(jìn)行檢查，工作量很大，難免會(huì)出現(xiàn)巡檢不到位的情況，甚至還會(huì)出現(xiàn)培養(yǎng)箱不報(bào)警就不巡查的情況。此時(shí)，如果加熱系統(tǒng)和溫度監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，在溫度失控的情況下，培養(yǎng)箱也不會(huì)報(bào)警，嬰兒的生命安全將得不到保障[2]。近年來，因培養(yǎng)箱溫度失控而導(dǎo)致嬰兒傷亡的情況屢有發(fā)生。如果能夠以一種便捷的方式將所有在用培養(yǎng)箱的運(yùn)行狀況進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，使得護(hù)士在護(hù)理站就可以看到所有培養(yǎng)箱的工作狀態(tài)，必定能夠大大減輕工作量，并且能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。“嬰兒培養(yǎng)箱中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”就是因此而研制的。

1 原理與方法

1.1 微功率短距離無線通信技術(shù)

工業(yè)應(yīng)用中，現(xiàn)階段基本上都是以有線傳輸?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)各種控制功能的。各種總線技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)等有線網(wǎng)絡(luò)的使用的確給人們的生產(chǎn)和生活帶來了便利，改變了我們的生活，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起到了極大地推動(dòng)作用。有線網(wǎng)絡(luò)速度快，數(shù)據(jù)流量大，可靠性強(qiáng)，對(duì)于基本固定的設(shè)備來說無疑是比較理想的選擇，的確在實(shí)際應(yīng)用中也達(dá)到了比較滿意的效果。但隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來越容易，數(shù)據(jù)傳輸速度也越來越快，并且逐漸達(dá)到可以和有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。而同時(shí)有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，線路故障難以檢查，設(shè)備重新布局就要重新布線，且不能隨意移動(dòng)等缺點(diǎn)越發(fā)突出。在向往自由和希望隨時(shí)隨地進(jìn)行通信的今天，人們把目光轉(zhuǎn)向了無線通信方式，尤其是一些機(jī)動(dòng)性要求較強(qiáng)的設(shè)備或人們不方便隨時(shí)到達(dá)的現(xiàn)場(chǎng)[3]。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

嬰兒培養(yǎng)箱無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)送和接收模塊的框圖，見圖1。主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)均以基于51內(nèi)核的STC89C52單片機(jī)控制，從機(jī)節(jié)點(diǎn)控制溫度傳感器DS18B20采集環(huán)境的溫度，然后利用nRF905無線傳輸模塊將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)接收模塊進(jìn)行相應(yīng)處理。

1.2.1 電源電路

本設(shè)計(jì)所需的電壓為3.3 V，故采用LM1117-3.3電源供電系統(tǒng)，見圖2。無線發(fā)送模塊以及溫濕度測(cè)量模塊使用的器件皆為低功耗器件。對(duì)發(fā)送端而言，可以采用5 V電池供電，很適合在野外等環(huán)境進(jìn)行溫濕度測(cè)量采集；而接收端可以采用5 V開關(guān)電源供電。其核心部件LM1117-3.3是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。壓差在1.2 V輸出，此時(shí)相應(yīng)的負(fù)載電流為800 mA。

1.2.2 單片機(jī)控制部分

本設(shè)計(jì)采用基于51內(nèi)核的8位單片機(jī)STC89C52RC作為控制芯片。該單片機(jī)采用經(jīng)典的CISC結(jié)構(gòu)，片內(nèi)RAM容量為512 B，程序存儲(chǔ)器采用FLASH存儲(chǔ)技術(shù)，容量為8 kB，可重復(fù)擦寫100000次，片上外設(shè)有1個(gè)UART、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)外部中斷[4]。STC89C52RC可外接80M晶振，工作電壓為3.4～5.5 V，可工作在掉電模式、空閑模式、以及正常模式。處于掉電模式時(shí)可由外部中斷喚醒，適用于用電池供電的系統(tǒng)。這些多樣的模式使其成為低功耗產(chǎn)品的最佳控制芯片之一。STC89C52RC可以采用軟件模擬的方式來對(duì)3線或4線SPI總線進(jìn)行操作，接口簡單；支持主機(jī)和從機(jī)操作器件可以工作于發(fā)送器模式或接收器模式，并且支持多主機(jī)仲裁。

1.2.3 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)芯片采用挪威Nordic公司的單片無線收發(fā)器芯片nRF905。工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433/868/915 MHz三個(gè)ISM頻道。國內(nèi)可以免費(fèi)使用433頻段，最大數(shù)據(jù)速率為100 kB/s，芯片內(nèi)部集成了頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。其主要特點(diǎn)是能夠自動(dòng)處理報(bào)頭和CRC冗余校驗(yàn)，而且可以直接通過SPI接口來進(jìn)行軟件配置。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)，電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，并內(nèi)建有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能[5]。nRF905的應(yīng)用電路，見圖3。電路主要利用nRF905與外圍器件構(gòu)成的電路組成無線發(fā)送接收電路。其中，nRF905模塊的SPI接口引腳MOSI、MISO、SCK、CSN引腳分別接STC89C52RC的引腳：P1^5（MOSI），P1^6（MISO），P1^7（SCK），P1^3（CSN）。nRF905的SPI接口工作于從機(jī)模式，并且利用環(huán)形天線發(fā)射信號(hào)[7]。

1.2.4 溫度測(cè)量模塊

本設(shè)計(jì)所采用的溫度傳感器是Dallas公司的DS18B20，該傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)，具有線路結(jié)構(gòu)簡單，體積小等特點(diǎn)，使用戶可以輕松的組件傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念[6]。

由于DS18B20采用單總線協(xié)議方式，而對(duì)STC89C52RC來說，在硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件模擬的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)DS18B20的訪問。

DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，將單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令之后，主機(jī)需要啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是按照由低位到高位的順序進(jìn)行的。其電路結(jié)構(gòu)，見圖4。

1.2.5 上位機(jī)接口電路

為了便于監(jiān)控，引入上位機(jī)功能，并加入串口通信模塊。3.3 V到RS 232電平(±12 V)的專用轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的外圍電路見圖5，其中5個(gè)電容均取0.1 μF的典型值。串口DB9只用3根線，5端為公共端接系統(tǒng)的地，2、3端分別是接收和發(fā)送端。DB9接口通過交叉串口線連到PC機(jī)上，這樣就可以完成硬件串行通信[9]。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息采集，因此需要構(gòu)建一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)通信原理中，星型網(wǎng)絡(luò)是最常用，也是最簡單穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)組成方式[5]。拋去網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制的種種繁雜和專業(yè)的術(shù)語，從無線芯片自身特點(diǎn)和應(yīng)用角度出發(fā)，星型網(wǎng)絡(luò)，一般采用輪詢機(jī)制，按地址輪詢或者按頻點(diǎn)輪詢。從軟件實(shí)現(xiàn)的角度，兩種方案均可行，但是從降低功耗的角度看，地址輪詢模式更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴捎妙l點(diǎn)輪詢方式時(shí)，各子節(jié)點(diǎn)一直處于發(fā)射模式，而采用地址輪詢方式時(shí)，各子節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，會(huì)切換到等待狀態(tài)，由于各個(gè)子節(jié)點(diǎn)大多數(shù)時(shí)間都處于等待狀態(tài)，顯然功耗更低[8]。地址輪詢方式的原理圖，見圖6。

對(duì)于溫度和濕度，它們并非是急劇變化的物理量，溫濕度的變化往往是緩慢進(jìn)行的，因此針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)對(duì)于溫濕度的測(cè)量采集并非需要時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行。而是每隔T時(shí)間采集1次，T根據(jù)實(shí)際需求而定。

對(duì)于從機(jī)而言，在測(cè)量發(fā)送數(shù)據(jù)以后，應(yīng)考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕虼思由闲ｒ?yàn)功能，并且為防止偶然的發(fā)送失敗帶來的不良后果，采取定時(shí)等待，超時(shí)后重發(fā)，收到主機(jī)命令后才進(jìn)入等待模式。對(duì)于主機(jī)而言，所完成的任務(wù)是時(shí)刻檢測(cè)無線接收模塊，對(duì)于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果正確收到數(shù)據(jù)則通過LCD顯示器顯示溫度值；而接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后不做任何處理，等待接收端再次發(fā)送數(shù)據(jù)，其原理圖，見圖7[10]。

2 結(jié)論

通過仿真測(cè)試，該系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)在用培養(yǎng)箱溫度值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。還有待解決的問題是：個(gè)別位置的節(jié)點(diǎn)，由于墻壁的阻隔及信號(hào)的衰減，無法正確地接收和回傳數(shù)據(jù)。可以考慮增加中繼節(jié)點(diǎn)，以擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋范圍。

[1] 莫利明.嬰兒培養(yǎng)箱質(zhì)量控制的實(shí)踐與技術(shù)探討[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2011,26(3):49-51.

[2] 李宏毅,劉宇靜,王丹.嬰兒培養(yǎng)箱的安全使用與維護(hù)保養(yǎng)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2010,(5):99-100.

[3] 廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.短距離無線通信技術(shù)對(duì)比[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,(3):16-17.

[4] 求是科技.8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊(cè)[M].1版.北京:人民郵電出版社,2006:2-20.

[5] 李文仲,等.短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2006:8-10.

[6] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:342-343.

[7] 顧娟娟,李建清,鄒留華.基于nRF905 的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子器件,2008,(2):529-532.

[8] 陳亮甫,韓玉杰,徐凱宏.基于無線通信技術(shù)的多點(diǎn)動(dòng)態(tài)溫度測(cè)控系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,(2):81-83.

[9] 求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社,2004:350-364.

[10] 呂躍剛,高昇輔,范俊峰,等.基于nrf905無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,(35):274-277.

Development of Central Monitoring System of Infant Incubators

JIN Hai-xia, BAO Jun-cheng, CHEN Mian-kang,ZUO Chang-shan, LIU Yan
Taihe Hospital Affiliated to Hubei University of Medicine, Shiyan Hubei 442000, China

Objective To design a system which can wirelessly monitor the real-time status of infant incubators. Methods Taking short-range wireless communication technology as carrier, and STC89C52 as control center, the information transmission between the host and the client could be implemented. Results The host system placed in nursing station is achieved, which is transmitted to temperature information of each incubator in real-time and accurately. Conclusion Through the simulation test, the system can basically meet the design requirement, and its design idea can offer theory reference for other medical equipment monitoring.

infant incubator; STC89C52 single chip microcomputer (SCM); temperature transmitter; wireless communication technology

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.008

1674-1633(2012)09-0042-04

2012-03-13

2012-06-06

本文作者：金海霞，主治醫(yī)師，在讀碩士研究生。

鮑俊成，工程師，在讀碩士研究生，湖北省醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程分會(huì)青年委員。

通訊作者郵箱：ramboa007@163.com