基于Arduino和ZigBee的無線溫度監測系統

溫 濤，范梅紅

（1.惠州市中心人民醫院，廣東 惠州 516000；2.惠州市第一人民醫院，廣東 惠州 516000）

基于Arduino和ZigBee的無線溫度監測系統

溫 濤1，范梅紅2

（1.惠州市中心人民醫院，廣東 惠州 516000；2.惠州市第一人民醫院，廣東 惠州 516000）

層流系統24 h不間斷工作，對冷卻水和熱水要求較高，利用Arduino的開放性和ZigBee的易組網性，快速搭建遠程無線監控層流系統水溫系統，可滿足實時監控要求。

Arduino；ZigBee；無線監控；層流

1 Arduino

Arduino是一款包含硬件和軟件開源平臺，方便設計和制造用于電子設備和交互對象的微處理器套件。因為Arduino為開源平臺，硬件具有不同版本，大多數都具有不同數量的閃存，引腳和8位的微控制器。板上的單排或者雙排引腳便于連接進行編程并結合到其他電路中，也可以連接到其他附加模塊。Arduino的軟件開發可用Arduino IDE，可在Windows、MAC OS、Linux等主流操作系統運行。Arduino IDE對初學者極易掌握，還具有足夠的靈活性，它不需要太多的單片機基礎，熟悉C語言，簡單學習后就可在平臺上快速開發軟件。

2 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。簡而言之，ZigBee就是一種便宜、低功耗的近距離無線組網通訊技術。ZigBee網絡通常由3種節點構成：①Coordinator（協調器）。用來初始化1個ZigBee網絡，并為最初加入網絡的節點分配地址，每個網絡需要且只能夠有1個協調器。②Router（路由）。也稱為ZigBee的全功能節點，可以轉發數據，起到路由的作用，也可以收發數據，當成一個數據節點，還能保持網絡，為后加入的節點分配地址。③End Device（終端節點）。通常定義為電池供電的低功耗設備，通常只周期性發送數據，不接收數據。我院手術室為層流凈化手術室，層流凈化系統在調節溫度和濕度時需要穩定的冷熱水供應。由于我院層流凈化系統的冷熱水由后勤部門負責供應，后勤對冷熱水機房是定時巡查機制，每天只在固定時間檢查系統是否工作正常，但層流系統要求24 h冷熱水的正常供應，這種定時巡查機制無法滿足需要。特別在夏天時，通常會在巡查時間空檔發生設備故障使層流系統無法正常工作，導致手術室環境不適合開展手術。以往，總是在手術室發現溫濕度異常后，才通知維修。實際中，冷熱水異常到手術室環境異常會經過一定的時間，如果能在水溫一出現異常時就報警提醒維修，則能較早地解決故障。所以，需要實時監測水溫的裝置，在溫度異常時立即提醒工作人員進行維修。

3 研究方案

本研究使用的裝置需要Arduino板、溫度探頭、ZigBee模塊、LCD屏幕、蜂鳴器和按鈕。因為層流機房距離值班室距離較遠，從下位機到上位機之前需要1個中繼路由（ZigBee模塊）連接，原理圖如圖1所示。

圖1 原理圖

圖2 下位機程序流程圖

圖3 線路圖

圖4 上位機流程圖

下位機的主要作用是測量水溫，并把數據發送到上位機。中繼路由把從下位機接收到的數據轉發到上位機。上位機接收數據并顯示處理，如果溫度超過預設值，則報警提醒。

下位機程序流程見圖2.下位機可獲取水溫，然后把數據發送出去。程序運行后首先會初始化，主要是串口波特率設置，傳感器管腳初始化和LCD屏幕管腳進行設定，程序運行后每秒對2個探頭獲取溫度值。為了讓獲得的溫度更加準確，一共獲取10次后再平均數據，然后通過ZigBee模塊傳輸出去。下位機的設計關鍵點和難點其一在于需要連接的管腳較多，需要合理安排各個模塊的管腳接口，以免管腳不夠。

管腳2～6用來連接溫度探頭一，管腳2和管腳3分別設置為高電平和低電平，可用來為溫度探頭供電，管腳4～6用來與溫度芯片通訊。管腳9～13用來連接溫度探頭二，管腳9和管腳10分別設置為高電平和低電平，用來為溫度探頭供電，管腳11～13用來和溫度芯片通訊。電源5 V和3.3 V分別為LCD屏幕和ZigBee模塊供電，管腳A4和管腳A5為LCD模塊通訊管腳。管腳TΧ1連接ZigBee模塊的RΧ管腳，用來發送數據。此外，要在單位時間內進行多次采集溫度數據，然后平均這些數據，從而消除一些干擾數據。線路圖如圖3所示，上位機流程圖如圖4所示。上位機也是Arduino平臺，接收從下位機傳來的數據，可實時查看水溫，當水溫異常時報警。程序運行后進行初始化，主要完成對串口設置、LCD屏幕初始化、按鈕中斷管腳初始化和初始化一些標識位，各項初始化完成后開始從下位機接收數據，接收完成后在LCD屏幕上顯示數值。如果溫度超過預設報警溫度，則讓蜂鳴器報警。管腳2和管腳3由于平臺規定只能用來設置成中斷，可使用5 V和10 K電阻連接做成中斷電路。管腳8用來設置蜂鳴器的開關，高電平報警，低電平不報警。管腳RΧ1連接ZigBee模塊的管腳TΧ。電源Vin和3.3 V用來給LCD屏幕和ZigBee模塊供電，管腳A4和管腳A5為LCD模塊通訊管腳。上位機的關鍵點和難點在于當檢測到溫度異常時的報警，如果每次接收到的水溫檢測到異常時都置管腳8為高電平報警，則實際使用中每隔10 s就會激活報警。這個平臺主要作用是提醒值班人員溫度有異常需要去處理，水溫從異常到正常是需要一段時間的，只需要在正常溫度發生異常的時候提醒值班人員，在值班人員確認后（按下消音按鈕），即使溫度異常也無需報警。只有在溫度恢復正常后，再次發生異常時才報警，所以，在程序編寫時對當時報警狀態邏輯的判斷中，如果靜音標識位被設定，則系統將不報警，以免造成過多的報警，影響正常使用。在溫度報警上限的設置中，因為下位機的溫度探頭不是直接接觸水的，而是附著在輸送管壁上的，與實際溫度有偏差，水溫會在一個溫度區間中波動，所以，這個值需要實際使用一段時間后再確定在一個比較合理的數值，過于接近臨界值易誤報，離臨界值太遠則容易錯過最佳報警時間。中斷代碼的編寫中，其中一個按鈕是控制LCD背光的，Arduino系統要求，一旦進入中斷程序，就會自動禁止中斷，但在這個程序中，觸發其中一個按鈕是中斷，向LCD屏幕發數據時也需要中斷，向LCD屏幕發送數據發生在按鈕中斷過程中，所以，正常情況下是不允許的，會造成系統死機。因此，在按鈕被按下執行中斷函數時，需要在函數里面置位中斷允許“sei();”，然后再執行其他語句。

整個系統啟動時，要先啟動上位機，即ZigBee模塊協調器，然后啟動中間的路由模塊，最后啟動下位機。系統在運行期間多次、及時、準確監測到冷水溫度異常，為搶修冷水機組或者切換應急供水提供了寶貴時間。利用Arduino的模塊化和代碼易編寫性及ZigBee的無線傳輸，可以快速搭建簡單的監測平臺，實現多點參數監控。如果在不同設備上多搭建幾個平臺，可以把這些不同設備的參數匯集一起，則可實現自己醫院設備的物聯網平臺，實時監測各設備參數，從而對設備故障進行預判和為維修提供歷史記錄。

TP273.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.057

2095－6835（2017）21－0057－03

〔編輯：張思楠〕