基于ZigBee技術(shù)的病房環(huán)境智控系統(tǒng)設(shè)計

朱珍林

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

基于ZigBee技術(shù)的病房環(huán)境智控系統(tǒng)設(shè)計

朱珍林

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都610065)

針對日常生活中人們對病房環(huán)境集中監(jiān)控的要求，著力于節(jié)約成本、遠距離測控、大范圍監(jiān)控等問題，圍繞SZ05模塊進行了智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用msp430單片機作為下位機控制器，將采集到的溫濕度、光強和煙霧信號經(jīng)過SZ05模塊組成的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到上位機；用VB編寫上位機的操作監(jiān)控圖形界面，可以在上位機上實時顯示各種采集的信息，并可控制下位機溫濕度和光強度達到理想值。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、管理靈活、功耗較低等優(yōu)點。

ZigBee；傳感器；VB；智能監(jiān)控

0 引言

病人及早產(chǎn)嬰兒等在經(jīng)過治療之后，預(yù)后處理也是急需解決的問題，不僅要讓他們處于適宜的溫濕度之中，而且還要求光強度不能超過合理范圍之內(nèi)，另外煙霧肯定也會影響他們。因此，對于病房的環(huán)境監(jiān)控就顯得很重要了。傳統(tǒng)的對于病房環(huán)境的監(jiān)控大多采用人工手動的方式，這樣既浪費人力又不方便管理。本系統(tǒng)主要監(jiān)測的是房間中的溫濕度、光強度以及是否有煙霧，可在多個房間布置終端節(jié)點，通過組建一個星型網(wǎng)的方式對多個節(jié)點的數(shù)據(jù)集中監(jiān)控，能夠在異常報警的情況下控制溫濕度以及光強度達到合適的范圍。

1 方案設(shè)計

圖1是系統(tǒng)單個終端節(jié)點框圖。系統(tǒng)采取的組網(wǎng)方式是星型網(wǎng)，下位機的控制器選用msp430單片機，msp430是一款可以實現(xiàn)極低功耗單片機。終端的數(shù)量可結(jié)合實際情況設(shè)定。系統(tǒng)工作原理：傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過下位機控制器msp430傳到ZigBee模塊1，并在顯示器上顯示，ZigBee模塊1通過路由器ZigBee模塊2傳到中心節(jié)點ZigBee模塊3，再通過串口將數(shù)據(jù)傳送到PC。在PC上用VB編寫串口軟件，實時顯示各種數(shù)據(jù)的變化曲線。溫度和濕度以及光強可經(jīng)過人為設(shè)定，并發(fā)送控制命令經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)送到下位機，下位機比較設(shè)置值，從而控制加熱繼電器和風(fēng)扇繼電器，直至溫濕度達到設(shè)定值，通過改變輸出PWM波的占空比來控制燈光強弱。聲光報警器主要用于對異常情況報警。最終PC通過以太網(wǎng)通信接口實現(xiàn)遠程通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由傳感器采集部分、ZigBee數(shù)據(jù)傳送部分、控制電路以及串口部分組成。

節(jié)點電源模塊的設(shè)計選用AMS11173V3芯片，系統(tǒng)設(shè)計為USB供電方式或干電池供電，預(yù)留鋰電池接口，供電電源之間可無縫切換，電源模塊主要為系統(tǒng)提供穩(wěn)定3.3 V電壓[1]。

ZigBee模塊選用順舟公司的SZ05模塊，它采用了加強型的ZigBee無線技術(shù)，具有通信距離遠、組網(wǎng)靈活、抗干擾能力強等優(yōu)點和特性，可實現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸。它在無干擾情況下通信距離為100～2 000 m[2]。它主要分為三種傳輸模式：單播、主從、廣播。系統(tǒng)中將所有節(jié)點設(shè)為主從模式，此模式下非中心節(jié)點默認將數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點，中心節(jié)點可根據(jù)非中心節(jié)點的具體地址發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣便可組成一個星型網(wǎng)[3]。在系統(tǒng)中SZ05的主要功能是對串口通信和ZigBee無線通信相互轉(zhuǎn)換，通過無線ZigBee進行組網(wǎng)通信。它的硬件電路比較簡單，將單片機的P1.1與SZ05的RXD腳相連，P1.2與TXD腳相連并接上電源和地即可，在串口調(diào)試助手中將串口波特率設(shè)置為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，無流控。

溫濕度傳感器選取SHT11,它采用COMSENSTM技術(shù)，不僅將溫度與濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、IIC總線電路等全部集成在一起[4]。SHT11與單片機連接圖如圖2所示，只需將DATA引腳和SCK引腳分別與msp430的P1_3，P1_4相連。

圖2 SHT11與單片機電路圖

光強度傳感器模塊為GY-30，煙霧傳感器選用MQ-5氣敏式煙霧傳感器，可控硅觸發(fā)電路主要采用可控硅絕緣驅(qū)動器MOC3061[5]。可將傳感器設(shè)置為定時采集溫濕度。

3 軟件設(shè)計

在設(shè)計中，下位機的主要功能是利用傳感器采集數(shù)據(jù)并實時顯示，將采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ZigBee模塊SZ05，再經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)往上位機。接收上位機控制信號通過控制加熱繼電器以及風(fēng)扇繼電器和改變輸出PWM波占空比來調(diào)節(jié)溫濕度以及光強度。下位機的總程序流程圖如圖3所示。

由于要巡回采集3路傳感器數(shù)據(jù)，先編寫定時器周期函數(shù)，以固定周期巡回采集，周期設(shè)置為100 ms，空閑時間關(guān)閉傳感器電源以降低功耗，將采集的溫濕度、光強度等數(shù)據(jù)進行打包，msp430通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到SZ05。由于設(shè)置所有SZ05芯片為主從模式，此時不必發(fā)送地址信息，通過發(fā)送函數(shù)直接發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

其中PWM波形是通過兩個定時器中斷控制產(chǎn)生，一個定時器用來改變周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間，由此便可控制LED燈的燈光強度，而另一個定時器則主要用來產(chǎn)生PWM基波[6]。部分代碼如下，通過改變light的值可以改變光的強度。

static char light=0;

light=light+1;

if(light==light_pwm)

HalledSet(HAL_LED_OFF);

if(light==10)

{

HalledSet(HAL_LED_ON);

light=0;

}

圖3 下位機控制器流程圖

上位機采集數(shù)據(jù)時，首先配置傳感器參數(shù)并發(fā)送讀取參數(shù)命令，當串口接收中斷被觸發(fā)時，就意味著有數(shù)據(jù)進入，此時可對數(shù)據(jù)進行分析，并提取傳感器數(shù)據(jù)。最后將數(shù)據(jù)在界面上顯示。

上位機中，主要是實時將終端節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)顯示在GUI上，并可通過GUI發(fā)送控制命令，如調(diào)節(jié)溫度和調(diào)節(jié)濕度等。為了控制方便，用VB6.0編寫用戶控制界面，為了便于用戶管理，所有的控制命令均在此處發(fā)出。將串口控件參數(shù)配置為：波特率9 600 b/s、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶檢驗位，同時，所有串口參數(shù)的配置要一致。

首先令Comm1.RThreshold=1，這樣，接收緩沖區(qū)中每來一個字符，MSCom控件便產(chǎn)生一個onComm事件。其次設(shè)置各種發(fā)送命令按鈕，例如設(shè)置Command8為單擊升溫事件，當發(fā)生此事件時，發(fā)送調(diào)控數(shù)據(jù)前會先發(fā)送地址[7-8]。軟件中令Command10為關(guān)機命令按鈕，當它按下時，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在一個名為data的文件中，以便在下一次開機時能恢復(fù)到上次關(guān)機狀態(tài)。操作界面如圖4所示。

圖4 操作圖形界面

4 系統(tǒng)測試

為方便起見，只在一個房間布置一個終端節(jié)點測試，以測試溫度和光強為例。將采集的溫度傳感器數(shù)據(jù)以溫度計測量的數(shù)據(jù)為基準，如圖5(a)所示，采用雙折線的方式在Excel軟件中進行對比[9]。在上位機中發(fā)送亮度值為3 750的指令，如圖5(b)所示。可看到終端輸出占空比為75%的PWM波形調(diào)光信號。

圖5 測試結(jié)果圖

可以看出，溫度與實際溫度比較接近，證明本設(shè)計對于溫度的處理有較高的精度，同時，光強的控制也符合期望。限于篇幅對于其他測試不再贅述。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)最具特色之處是利用ZigBee無線自組網(wǎng)絡(luò)成功實現(xiàn)了對病房環(huán)境的遠程監(jiān)控，克服了管理落后、單一控制、人員浪費等問題。本文主要從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面進行了闡述，測試結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)設(shè)計，本系統(tǒng)具有低功耗、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，所設(shè)計的節(jié)點符合802.15.4協(xié)議，還可與其他符合該協(xié)議的產(chǎn)品連接，因此還具有可擴展性，達到了預(yù)期的設(shè)計目標。

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Design of ward environment control system based on ZigBee

Zhu Zhenlin

(Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In view of daily life of ward environment centralized monitoring requirement,this paper focuses on the problems such as cost savings,remote measurement and control,and wide range monitoring,and around SZ05 module designs and implements the intelligent control system. This system takes msp430 single chip microcomputer as lower PC,and the temperature and humidity,light intensity,and smoke signals collected are transmitted to apper PC by ZigBee wireless transmission network which is composed of SZ05. It uses VB to write a graphical interface of upper PC,which can on the upper PC in real time display all kinds of information collected,and control the temperature and humidity and light intensity of lower PC to achieve the ideal value. Test results show that the system has stable performance,flexible management,and low power consumption.

ZigBee; sensor; VB; intelligent monitoring

TN92

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.031

朱珍林.基于ZigBee技術(shù)的病房環(huán)境智控系統(tǒng)設(shè)計J.微型機與應(yīng)用，2017,36(24)：109-111.

2017-05-26)

朱珍林(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)設(shè)計。