基于ZigBee的醫用儀器倉庫無線監測系統設計

唐艷鳳　張亞婉　陳富樹

摘要：醫用儀器對存儲條件要求苛刻，故針對醫用儀器存儲的特殊性，設計了一套醫療儀器倉庫無線監測系統。以ZigBee芯片CC2530為主控器，將主控芯片與DHT21數字溫濕度傳感、MQ-2煙霧傳感器組成以中央集線器為中心的星型拓撲無線網絡結構，通過串口通信，將環境監測信息傳輸至計算機終端設備，通過ESP8266 WiFi模塊傳送到移動電話終端，該系統能對異常情況及時做出報警響應。經實驗數據證明，該無線監測系統能快速獲取環境實時數據，性能穩定可靠，是一款低功耗、高效率的無線監測系統。

關鍵詞：ZigBee技術;無線監測;醫用儀器;ESP8266

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A

文章編號：1009—9492（2021）03—0123—03

0引言

隨著人們生活水平的提高，大家的健康意識逐步增強，對醫療儀器、醫學美容儀器的需求越來越大，醫用儀器的種類和數量都在不斷增加。與此同時，醫用儀器的安全管理和存儲問題變得越來越突出。由于醫用儀器使用的特殊性和專業性，對其存儲條件的要求越來越高。

本文從醫用儀器倉庫的安全管控角度出發，為了將醫用儀器安全地存放在倉庫中，需要自動監測其環境參數并要求系統長期穩定運行。ZigBee技術具有的功耗低、延時短、成本低、容量高等特點恰好滿足這一需求。本文基于ZigBee技術設計了醫用儀器倉庫無線監測系統，并根據醫用儀器倉庫環境特點選取合適的網絡拓撲結構，將數字式溫濕度傳感器、煙霧傳感器監測到的環境參數實時上傳到計算機終端和移動電話終端，解決了醫用儀器倉庫環境監測布線困難、成本高、靈活性差的缺點，為危險化學品、大型倉庫等領域進行環境監測提供便捷、快速、安全的方式。

1系統概述

ZigBee可進行雙向的無線通信，一般使用于距離近、功耗要求低和安全性高的無線網絡通信中。星型拓撲結構采用以ZigBee協調器為中心的網絡，所有的設備要傳輸信息都需要通過協調器來進行。此結構容易搭建，適用于節點數目少、中距離無線傳輸信息的倉庫無線監測系統。本設計中環境感知測量主節點被設置為協調器。協調器擁有最多的網絡消息，其主要負責將網絡信標進行發送、無線網絡的建立以及對網絡中的環境監測節點進行管理、收發數據。環境感知測量節點被設置為無線網絡中的終端。

無線監測系統可實現倉庫環境參數的持續監測、上報及超限值報警。結合ZigBee無線通訊技術與串口通信技術、ESP8266物聯網通信技術，采用溫濕度傳感器和煙霧傳感器組成下位機采集模塊，通過串口通信將數據發送至上位機計算機端，用VC++6.0編寫上位機控制程序，分析環境參數并做出決策。通過ESP8266 WiFi模塊將數據發送至移動電話APP端，實現移動終端的實時監控。該無線環境監測系統以CC2530單片機為核心，通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器、ZigBee測量節點、ZigBee測量協調器主節點帶網關、上位機軟件、移動電話APP等完成對環境信息的測量、傳輸、顯示及報警。系統框圖如圖1所示。

2硬件電路

2.1 CC2530片上系統

選用CC2530片上系統作為采集處理和無線收發環境參數的主處理器。其是一款低成本、低功耗的控制器。擁有Zig-Bee協議棧，同時自帶8051內核，應用函數庫可以快速實現功能的調用，再配合相應調試工具，能夠捕獲信道的數據，實現在線調試。CC2530芯片及周邊元件已經集成在一塊電路板上，可用引腳均已引出。

2.2測量節點模塊電路

測量節點模塊作為倉庫環境參數采集的基本單元，系統中各測量節點模塊均以CC2530芯片為處理中心通過搭載溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器，實現對庫區溫度、濕度、煙霧等信息的采集。系統選用DHT21溫濕度傳感器采集溫濕度信息。DHT21測量濕度范圍為0～99.9%;測濕精度為±3%RH;測溫范圍為-40～+80℃;測溫精度為±0.5℃;分辨率為0.1%RH/0.1℃。系統選用MQ-2煙霧傳感器采集倉庫煙霧信息，MQ-2適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，其檢測可燃氣體與煙霧的范圍100～10000 mg/L。

傳感器將采集到的信息進行處理，并打包通過ZigBee無線網絡發送到測量協調器主節點?？紤]到節點的便攜性、實用性及功耗，節點配備了1200 mA·h的3.7V可充電鋰電池，采用具有恒定電流和恒定電壓的線性充電器TP5410對系統鋰電池進行充電。TP5410可以提供高達1000 mA的可編程充電電流，通過改變控制引腳P0.1_BTN電平即可改變充電電流。待機狀態下的供電電流小于10 IxA。短按開關按鍵可以暫停或打開發送數據到協調器主節點，主控芯片通過監視P0.1_BTN引腳電平，在主程序中設計短按觸發相應的處理事件。系統功能配置電路如圖2所示。

2.3協調器主節點電路

測量協調器主節點在整個ZigBee無線網絡中負責建立網絡、綁定節點終端完成組網和數據無線收發，同時將各節點環境信息數據上傳到上位機和移動電話APP端。協調器主節點需要收集各個節點的數據后與上位機以及移動電話進行通信，在協調器電路的設計中使用CH340串口電路和ESP8266 WiFi模塊。圖3所示為USB轉串口CH340芯片通信應用電路。

加入ESP8266 WiFi模塊，方便系統接入互聯網進行遠程測量和監控。ESP8266 WiFi模塊可以通過AT命令設置為服務器模式、終端模式、服務器加終端這3種模式。本系統設置WiFi模塊為Soft AP+Station模式，用戶的移動終端可以作為Station連入ESP8266的服務器接口，可以將ESP8266作為終端連上路由器，用戶移動終端同時連上路由器，通過在移動終端軟件上設置對應的網絡端口，移動終端用戶可以通過云端監控倉庫的環境信息。圖4所示為ESP8266WiFi模塊接口電路。

3軟件設計

基ZigBee的醫用儀器倉庫無線監測系統，由協調器主節點、測量節點構成測量網絡。系統的軟件設計分為協調器主節點程序和測量終端節點程序，均采用C語言編寫。本設計中，構建ZigBee無線傳感器網絡軟件開發環境采用IAR Embedded Workbench，采用的協議棧是TI的Z-STACK。本設計系統程序應用Z-Staek-CC2530-2.3.0-1.4.0協議棧的Sam-ple APP進行設計開發。

3.1協調器節點軟件

環境測量協調器主節點上電后，首先會進入初始化函數，初始化相應的GPIO端口和各應用層;再調用ZigBee設備對象層的初始化函數，進行網絡初始化操作，從而創建一個無線環境監測系統測量網絡。網絡創建后，環境監測測量協調器主節點會逐一檢測當前可用信號通道的強度，再根據其強度進行篩選，選擇信號強度在一定范圍值得信道來作為該無線網絡中數據傳輸的信道。并為這個新建的網絡分配一個唯一的16位網絡標識符。協調器主節點的程序設計流程如圖5所示。

3.2測量節點軟件

環境監測節點上電之后，首先會進入初始化函數，然后掃描附近是否有ZigBee無線網絡的存在。如果掃描到附近有相應網絡存在時，Network層會向ZigBee設備對象層發送網絡存在消息，然后Network層向信號強度較強的網絡發出加入網絡綁定請求;綁定網絡成功后，則Network層會向ZigBee設備對象層提供加入網絡狀態的消息。節點加入網絡成功后不斷地通過環境監測傳感器對所處環境的溫濕度和煙霧濃度進行測量，將測量到的數據進行處理打包，并通過ZigBee無線網絡發送至環境監測協調器主節點做進一步的處理。測量節點程序設計流程如圖6所示。

3.3環境監測系統上位機

環境監測協調器主節點將各測量節點所采集到的環境信息處理匯總通過串口發送到計算機端上位機進行顯示監控。圖7所示為計算機端上位機的界面圖，顯示界面中的坐標軸會跟隨測量物理量的不同而自動調整。通過配置串口通信的相應控件，使得系統測量到的數據能夠實時地進行顯示和監控。

3.4環境監測系統Android應用程序

環境監測的應用程序，可以實時查看各節點的溫濕度數據和煙霧濃度數據，同時拓展了控制功能，通過對界面上相應功能按鍵的操作，可以實現對相應模塊的調控。Android應用程序啟動后會提示用戶進行網絡服務器IP地址的連接，用戶按提示信息打開移動終端的WiFi網絡設置進行網絡連接，如圖8所示。用戶填寫環境監測協調器主節點的服務器IP地址，應用程序寫入默認端口，移動終端用戶不需要輸入。

Android應用成功連上路由網關設備之后，環境參數測量節點的數據會顯示在相應的終端區域，同時在下方會顯示當前接收或發送時的數據，方便調試應用。如圖9所示。

4系統測試

對系統進行硬件電路測試和軟件電路測試。硬件電路主要包括充電電源電路、電池放電性能、按鍵開關動作、系統正常工作電流、系統待機工作電流、無線發射接收信號強度等，硬件電路工作正常。軟件測試主要包括通信質量、信息采集數據及警報是否正常。試驗使用1塊CC2530板作為協調器，4塊CC2530板作為終端節點。協調器收到終端節點數據后傳輸到上位機和移動電話終端，系統終端監測到的數據與標準儀器測量結果基本一致，通過上位機設置閾值，溫濕度、煙霧濃度超限，上位機和移動電話端均可及時報警，系統運行穩定。

5結束語

本文針對醫用儀器倉庫建立的無線監測系統，可以連續、穩定、準確地采集環境信息，并通過不同的通信方式分別傳輸到上位機端和移動電話APP端，實現實時監控。并設置自動報警系統，最終達到加強醫用儀器倉儲安全管理的目的，具有較強的實用價值。后續研究中，進一步加強研究發生警報后如何自動消除警報的聯動系統，提高無線監測系統的自動化和智能化。