基于WSN的育嬰箱智能監控系統

摘 要：為了實現育嬰箱智能化管理問題，本文提出了一種基于WSN（Wireless Sensor Network）的育嬰箱智能監控系統設計方案。該監控系統由傳感器節點、匯聚節點、GPRS網絡和遠程監控中心組成。首先，通過溫度傳感器采集各個育嬰箱的溫度信息，然后利用ZigBee技術把溫度信息傳送到匯聚節點，最后利用GPRS網絡把匯聚節點的信息傳輸到遠程控制中心，從而實現對多個育嬰箱的實時監控。

關鍵詞：WSN；ZigBee技術；溫度傳感器；遠程監控；育嬰箱

中圖分類號：TN92；TH89 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

為了給系統臟器功能尚未成熟，免疫功能低下，體溫調節功能較差的新生兒創建一個空氣潔凈，溫濕度適宜的舒適安全環境，育嬰箱應運而生。其光線可以直接透過寬大的玻璃窗照射到箱內，箱內干燥、自動調溫、無菌、無毒、隔音，里面活動范圍大，除尿布外無多余衣布，幼兒可以在里面睡覺、游戲，箱壁安全，掛有玩具等刺激物，可不必擔心著涼和濕疹一類的疾病。這個設計避免了外界一切不良刺激，有利于養育身心健康的兒童。目前，對育嬰箱的管理基本依靠醫院護士現場巡視的方式，該方法過于依靠人工方式，對人力造成浪費。

ZigBee[1]是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通信技術。

GPRS[2]是通用無線分組業務（General Packet Radio Service）的簡稱，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，在GSM協議構架的基礎上增加了支持分組的協議，而實現基于分組的無線通信服務。它借用了移動的接入網和傳輸網，提供端到端的、廣域的無線IP連接。只要GSM網絡覆蓋的地方都可以使用這種網絡，給用戶提供了功能強大、方便靈活的數傳解決方案，適用于涉及地域廣、設備布局分散的場合。

本文擬通過WSN技術實現對多個育嬰箱的遠程監控，從而實現對育嬰箱的智能化管理[3]。該智能監控系統利用當前先進的ZigBee和GPRS技術能夠實現對育嬰箱的實時監控。首先，通過溫度傳感器采集各個育嬰箱的溫度信息，然后利用ZigBee技術把溫度信息傳送到匯聚節點，最后利用GPRS網絡把匯聚節點的信息傳輸到遠程控制中心，實現了多個新生兒育嬰箱實時遠程監控，并且為育嬰箱的使用提供多方面保護，使育嬰箱的應用更加可靠、安全。

2 監控系統整體設計方案（Design of the monitoring

system）

結合育嬰箱的特點，設計出一個基于WSN的育嬰箱智能監控系統。該系統主要由傳感器節點、匯聚節點、GPRS網絡和遠程監控中心等組成[4]，其結構如圖1所示。各個傳感器節點將采集到的數據傳送到匯聚節點，匯聚節點負責接收和處理網絡中所有育嬰箱節點的信息，同時匯聚節點可以通過GPRS網絡將采集到的數據傳送到遠程控制中心。

圖1 監控系統結構圖

Fig.1 The structure of the monitoring system

3 監控系統硬件設計（Hardware design of the

monitoring system）

3.1 傳感器節點設計

傳感器節點是WSN的基本單元，每個育嬰箱都可以看作一個獨立的無線傳感器節點。傳感器節點結構如圖2所示。它由傳感器模塊和CC2530模塊組成。

圖2 傳感器節點結構圖

Fig.2 The structure of the sensor node

傳感器節點的主控芯片采用片上系統（SOC）CC2530芯片模塊[5]，采用溫濕度傳感器SHT11數字溫濕度傳感器[6]對育嬰箱中的溫濕度進行采集。溫度傳感器將采集到的數據送入CC2530模塊中的ZigBee無線單元。通過該單元可以將采集到的溫度數據傳給匯聚節點。

3.2 匯聚節點設計

匯聚節點在整個智能化監控系統中起到承上啟下的作用，它既負責建立和維護整個ZigBee網絡，同時還需要接收各個傳感器節點的信息并將匯集來的數據信息整合上傳至遠程實時監控端。另外，匯聚節點還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實現無線傳感器網絡與遠程實時監控端的遠程通信，實現無線網關的功能。匯聚節點的基本結構圖如圖3所示。

圖3 匯聚節點結構圖

Fig.3 The structure of the aggregation node

該節點由一個CC2530芯片模塊和一個GPRS模塊構成。GPRS模塊采用廣州致遠電子有限公司的ZWG-28DP無線模塊[7]。通過配置GPRS模塊的相關網絡參數以實現GPRS與Internet的連接，最終實現將傳感器節點實時采集的數據傳送至遠程控制中心。另外，匯聚節點還可以接收遠程監控中心發送的控制命令并執行，實現了監控中心遠程控制育嬰箱的功能。

4 監控系統軟件設計（Software design of the

monitoring system）

4.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點主要負責采集育嬰箱的溫度信息，并將溫度發送給匯聚節點。傳感器節點的軟件采用C語言開發，流程圖如圖4所示。匯聚節點的軟件流程與傳感器節點的流程相似，但是增加了控制執行功能。

圖4 傳感器節點軟件流程圖

Fig.4 The software procedure of the sensor node

4.2 監控中心軟件設計

遠程監控中心能夠實現對育嬰箱的實時監控，匯聚節點通過GPRS網絡把從傳感器節點獲得的溫度信息傳送到遠程監控中心。監控軟件利用C語言直接調用WINDOWS API函數方式編寫，該智能監控軟件具有實時監控、歷史查詢和系統相關配置等功能[8]。

該監控軟件的實時監控部分通過WSN通信技術可以實現對育嬰箱中溫度的自動監控，并且能夠將育嬰箱中的溫度信息以曲線的形式表示出來。同時，如果育嬰箱中的溫度不在適宜新生嬰兒的生長范圍內，可以通過監控系統向匯聚節點發送控制指令，匯聚節點收到監控中心發送的控制命令后會立即執行，以便達到控制要求。傳感器節點執行遠程控制中心命令的軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器節點執行控制命令流程圖

Fig.5 The command executing procedure of the

sensor node

首先，系統上電后，初始化傳感器節點和匯聚節點，然后不斷查詢匯聚節點是否收到遠程控制中心發來的控制命令。如果檢測到ZigBee信息，那么由相應的傳感器節點對控制命令進行解析和執行，并向遠程控制中心返回育嬰箱的溫度信息；如果沒有檢測到信息，那么繼續查詢。

5 結論（Conclusion）

本文提出了一種基于WSN（Wireless Sensor Network）的育嬰箱智能監控系統設計方案，該監控系統能夠實現對多個育嬰箱的遠程監控。論文中，設計了一種基于ZigBee和GPRS技術的育嬰箱智能控制系統，并給出了該系統的結構框圖，并且從硬件、軟件兩方面具體闡述了本文的設計思路和實現方法。在進一步的研究中將對遠程監控系統的功能進行擴展，并在保證數據通信可靠的情況下，降低能耗。

參考文獻（References）

[1] 楊瑋，等.基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發[J]. 農業工程學報，2010，26（3）：198-202.

[2] Roberto Di Pietro，Luigi V.Mancini，Mei A.Energy efficient node-to-node authentication and communication confidentiality in wireless sensor networks[J].Wireless Networks，2006，12（6）：709-721.

[3] 孫利民，等.無線傳感器網絡.北京：清華大學出版社，2005.

[4] 李道亮，傅澤田.智能化水產養殖信息系統的設計與初步實現 [J].農業工程學報，2000，16（4）：135-138.

[5] 張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程 監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[6] 謝敏，徐會冬.智能傳感器SHT11在單片機嵌入式系統中的應 用[J].現代電子技術，2005，205（14）：89-91.

[7] 肖新清，等.面向鮮食葡萄冷鏈物流的無線實時監測系統術 [J].電子技術應用，2013，39（8）：77-79.

[8] 史兵，等.基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統 [J].農業工程學報，2011，27（9）：136-140.

作者簡介：

陳再宏（1969-），男，本科，高級經濟師.研究領域：嬰 兒培養箱、輻射保暖臺的研發和設計.