基于Arduino和ZigBee的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

溫 濤，范梅紅

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

基于Arduino和ZigBee的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

溫 濤1，范梅紅2

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

層流系統(tǒng)24 h不間斷工作，對(duì)冷卻水和熱水要求較高，利用Arduino的開(kāi)放性和ZigBee的易組網(wǎng)性，快速搭建遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控層流系統(tǒng)水溫系統(tǒng)，可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

Arduino；ZigBee；無(wú)線監(jiān)控；層流

1 Arduino

Arduino是一款包含硬件和軟件開(kāi)源平臺(tái)，方便設(shè)計(jì)和制造用于電子設(shè)備和交互對(duì)象的微處理器套件。因?yàn)锳rduino為開(kāi)源平臺(tái)，硬件具有不同版本，大多數(shù)都具有不同數(shù)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(jìn)行編程并結(jié)合到其他電路中，也可以連接到其他附加模塊。Arduino的軟件開(kāi)發(fā)可用Arduino IDE，可在Windows、MAC OS、Linux等主流操作系統(tǒng)運(yùn)行。Arduino IDE對(duì)初學(xué)者極易掌握，還具有足夠的靈活性，它不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)，熟悉C語(yǔ)言，簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后就可在平臺(tái)上快速開(kāi)發(fā)軟件。

2 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常由3種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：①Coordinator（協(xié)調(diào)器）。用來(lái)初始化1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并為最初加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要且只能夠有1個(gè)協(xié)調(diào)器。②Router（路由）。也稱(chēng)為ZigBee的全功能節(jié)點(diǎn)，可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)成一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還能保持網(wǎng)絡(luò)，為后加入的節(jié)點(diǎn)分配地址。③End Device（終端節(jié)點(diǎn)）。通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備，通常只周期性發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)。我院手術(shù)室為層流凈化手術(shù)室，層流凈化系統(tǒng)在調(diào)節(jié)溫度和濕度時(shí)需要穩(wěn)定的冷熱水供應(yīng)。由于我院層流凈化系統(tǒng)的冷熱水由后勤部門(mén)負(fù)責(zé)供應(yīng)，后勤對(duì)冷熱水機(jī)房是定時(shí)巡查機(jī)制，每天只在固定時(shí)間檢查系統(tǒng)是否工作正常，但層流系統(tǒng)要求24 h冷熱水的正常供應(yīng)，這種定時(shí)巡查機(jī)制無(wú)法滿足需要。特別在夏天時(shí)，通常會(huì)在巡查時(shí)間空檔發(fā)生設(shè)備故障使層流系統(tǒng)無(wú)法正常工作，導(dǎo)致手術(shù)室環(huán)境不適合開(kāi)展手術(shù)。以往，總是在手術(shù)室發(fā)現(xiàn)溫濕度異常后，才通知維修。實(shí)際中，冷熱水異常到手術(shù)室環(huán)境異常會(huì)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，如果能在水溫一出現(xiàn)異常時(shí)就報(bào)警提醒維修，則能較早地解決故障。所以，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的裝置，在溫度異常時(shí)立即提醒工作人員進(jìn)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?yàn)閷恿鳈C(jī)房距離值班室距離較遠(yuǎn)，從下位機(jī)到上位機(jī)之前需要1個(gè)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(jī)程序流程圖

圖3 線路圖

圖4 上位機(jī)流程圖

下位機(jī)的主要作用是測(cè)量水溫，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。中繼路由把從下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并顯示處理，如果溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值，則報(bào)警提醒。

下位機(jī)程序流程見(jiàn)圖2.下位機(jī)可獲取水溫，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。程序運(yùn)行后首先會(huì)初始化，主要是串口波特率設(shè)置，傳感器管腳初始化和LCD屏幕管腳進(jìn)行設(shè)定，程序運(yùn)行后每秒對(duì)2個(gè)探頭獲取溫度值。為了讓獲得的溫度更加準(zhǔn)確，一共獲取10次后再平均數(shù)據(jù)，然后通過(guò)ZigBee模塊傳輸出去。下位機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)其一在于需要連接的管腳較多，需要合理安排各個(gè)模塊的管腳接口，以免管腳不夠。

管腳2～6用來(lái)連接溫度探頭一，管腳2和管腳3分別設(shè)置為高電平和低電平，可用來(lái)為溫度探頭供電，管腳4～6用來(lái)與溫度芯片通訊。管腳9～13用來(lái)連接溫度探頭二，管腳9和管腳10分別設(shè)置為高電平和低電平，用來(lái)為溫度探頭供電，管腳11～13用來(lái)和溫度芯片通訊。電源5 V和3.3 V分別為L(zhǎng)CD屏幕和ZigBee模塊供電，管腳A4和管腳A5為L(zhǎng)CD模塊通訊管腳。管腳TΧ1連接ZigBee模塊的RΧ管腳，用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，要在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次采集溫度數(shù)據(jù)，然后平均這些數(shù)據(jù)，從而消除一些干擾數(shù)據(jù)。線路圖如圖3所示，上位機(jī)流程圖如圖4所示。上位機(jī)也是Arduino平臺(tái)，接收從下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)查看水溫，當(dāng)水溫異常時(shí)報(bào)警。程序運(yùn)行后進(jìn)行初始化，主要完成對(duì)串口設(shè)置、LCD屏幕初始化、按鈕中斷管腳初始化和初始化一些標(biāo)識(shí)位，各項(xiàng)初始化完成后開(kāi)始從下位機(jī)接收數(shù)據(jù)，接收完成后在LCD屏幕上顯示數(shù)值。如果溫度超過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警溫度，則讓蜂鳴器報(bào)警。管腳2和管腳3由于平臺(tái)規(guī)定只能用來(lái)設(shè)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(lái)設(shè)置蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，高電平報(bào)警，低電平不報(bào)警。管腳RΧ1連接ZigBee模塊的管腳TΧ。電源Vin和3.3 V用來(lái)給LCD屏幕和ZigBee模塊供電，管腳A4和管腳A5為L(zhǎng)CD模塊通訊管腳。上位機(jī)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)在于當(dāng)檢測(cè)到溫度異常時(shí)的報(bào)警，如果每次接收到的水溫檢測(cè)到異常時(shí)都置管腳8為高電平報(bào)警，則實(shí)際使用中每隔10 s就會(huì)激活報(bào)警。這個(gè)平臺(tái)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(shí)間的，只需要在正常溫度發(fā)生異常的時(shí)候提醒值班人員，在值班人員確認(rèn)后（按下消音按鈕），即使溫度異常也無(wú)需報(bào)警。只有在溫度恢復(fù)正常后，再次發(fā)生異常時(shí)才報(bào)警，所以，在程序編寫(xiě)時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)報(bào)警狀態(tài)邏輯的判斷中，如果靜音標(biāo)識(shí)位被設(shè)定，則系統(tǒng)將不報(bào)警，以免造成過(guò)多的報(bào)警，影響正常使用。在溫度報(bào)警上限的設(shè)置中，因?yàn)橄挛粰C(jī)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(shí)際溫度有偏差，水溫會(huì)在一個(gè)溫度區(qū)間中波動(dòng)，所以，這個(gè)值需要實(shí)際使用一段時(shí)間后再確定在一個(gè)比較合理的數(shù)值，過(guò)于接近臨界值易誤報(bào)，離臨界值太遠(yuǎn)則容易錯(cuò)過(guò)最佳報(bào)警時(shí)間。中斷代碼的編寫(xiě)中，其中一個(gè)按鈕是控制LCD背光的，Arduino系統(tǒng)要求，一旦進(jìn)入中斷程序，就會(huì)自動(dòng)禁止中斷，但在這個(gè)程序中，觸發(fā)其中一個(gè)按鈕是中斷，向LCD屏幕發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)也需要中斷，向LCD屏幕發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)生在按鈕中斷過(guò)程中，所以，正常情況下是不允許的，會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)。因此，在按鈕被按下執(zhí)行中斷函數(shù)時(shí)，需要在函數(shù)里面置位中斷允許“sei();”，然后再執(zhí)行其他語(yǔ)句。

整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，要先啟動(dòng)上位機(jī)，即ZigBee模塊協(xié)調(diào)器，然后啟動(dòng)中間的路由模塊，最后啟動(dòng)下位機(jī)。系統(tǒng)在運(yùn)行期間多次、及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到冷水溫度異常，為搶修冷水機(jī)組或者切換應(yīng)急供水提供了寶貴時(shí)間。利用Arduino的模塊化和代碼易編寫(xiě)性及ZigBee的無(wú)線傳輸，可以快速搭建簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)參數(shù)監(jiān)控。如果在不同設(shè)備上多搭建幾個(gè)平臺(tái)，可以把這些不同設(shè)備的參數(shù)匯集一起，則可實(shí)現(xiàn)自己醫(yī)院設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各設(shè)備參數(shù)，從而對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)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〕