基于WSN的育嬰箱智能監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)控系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。首先，通過溫度傳感器采集各個(gè)育嬰箱的溫度信息，然后利用ZigBee技術(shù)把溫度信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后利用GPRS網(wǎng)絡(luò)把匯聚節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)育嬰箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：WSN；ZigBee技術(shù)；溫度傳感器；遠(yuǎn)程監(jiān)控；育嬰箱

中圖分類號(hào)：TN92；TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

為了給系統(tǒng)臟器功能尚未成熟，免疫功能低下，體溫調(diào)節(jié)功能較差的新生兒創(chuàng)建一個(gè)空氣潔凈，溫濕度適宜的舒適安全環(huán)境，育嬰箱應(yīng)運(yùn)而生。其光線可以直接透過寬大的玻璃窗照射到箱內(nèi)，箱內(nèi)干燥、自動(dòng)調(diào)溫、無菌、無毒、隔音，里面活動(dòng)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?fù)?dān)心著涼和濕疹一類的疾病。這個(gè)設(shè)計(jì)避免了外界一切不良刺激，有利于養(yǎng)育身心健康的兒童。目前，對(duì)育嬰箱的管理基本依靠醫(yī)院護(hù)士現(xiàn)場(chǎng)巡視的方式，該方法過于依靠人工方式，對(duì)人力造成浪費(fèi)。

ZigBee[1]是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)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(dòng)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(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。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。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。

GPRS[2]是通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，在GSM協(xié)議構(gòu)架的基礎(chǔ)上增加了支持分組的協(xié)議，而實(shí)現(xiàn)基于分組的無線通信服務(wù)。它借用了移動(dòng)的接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。只要GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可以使用這種網(wǎng)絡(luò)，給用戶提供了功能強(qiáng)大、方便靈活的數(shù)傳解決方案，適用于涉及地域廣、設(shè)備布局分散的場(chǎng)合。

本文擬通過WSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)育嬰箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)育嬰箱的智能化管理[3]。該智能監(jiān)控系統(tǒng)利用當(dāng)前先進(jìn)的ZigBee和GPRS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)育嬰箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控。首先，通過溫度傳感器采集各個(gè)育嬰箱的溫度信息，然后利用ZigBee技術(shù)把溫度信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后利用GPRS網(wǎng)絡(luò)把匯聚節(jié)點(diǎn)的信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)新生兒育嬰箱實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且為育嬰箱的使用提供多方面保護(hù)，使育嬰箱的應(yīng)用更加可靠、安全。

2 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案（Design of the monitoring

system）

結(jié)合育嬰箱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于WSN的育嬰箱智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等組成[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收和處理網(wǎng)絡(luò)中所有育嬰箱節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 The structure of the monitoring system

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（Hardware design of the

monitoring system）

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是WSN的基本單元，每個(gè)育嬰箱都可以看作一個(gè)獨(dú)立的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由傳感器模塊和CC2530模塊組成。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 The structure of the sensor node

傳感器節(jié)點(diǎn)的主控芯片采用片上系統(tǒng)（SOC）CC2530芯片模塊[5]，采用溫濕度傳感器SHT11數(shù)字溫濕度傳感器[6]對(duì)育嬰箱中的溫濕度進(jìn)行采集。溫度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)在整個(gè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，它既負(fù)責(zé)建立和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還需要接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息并將匯集來的數(shù)據(jù)信息整合上傳至遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端。另外，匯聚節(jié)點(diǎn)還通過RS-232串行接口與GPRS模塊相連接以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控端的遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)關(guān)的功能。匯聚節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

Fig.3 The structure of the aggregation node

該節(jié)點(diǎn)由一個(gè)CC2530芯片模塊和一個(gè)GPRS模塊構(gòu)成。GPRS模塊采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的ZWG-28DP無線模塊[7]。通過配置GPRS模塊的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以實(shí)現(xiàn)GPRS與Internet的連接，最終實(shí)現(xiàn)將傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程控制中心。另外，匯聚節(jié)點(diǎn)還可以接收遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心遠(yuǎn)程控制育嬰箱的功能。

4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（Software design of the

monitoring system）

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集育嬰箱的溫度信息，并將溫度發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件采用C語言開發(fā)，流程圖如圖4所示。匯聚節(jié)點(diǎn)的軟件流程與傳感器節(jié)點(diǎn)的流程相似，但是增加了控制執(zhí)行功能。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

Fig.4 The software procedure of the sensor node

4.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)育嬰箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控，匯聚節(jié)點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把從傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的溫度信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)控軟件利用C語言直接調(diào)用WINDOWS API函數(shù)方式編寫，該智能監(jiān)控軟件具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史查詢和系統(tǒng)相關(guān)配置等功能[8]。

該監(jiān)控軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控部分通過WSN通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)育嬰箱中溫度的自動(dòng)監(jiān)控，并且能夠?qū)⒂龐胂渲械臏囟刃畔⒁郧€的形式表示出來。同時(shí)，如果育嬰箱中的溫度不在適宜新生嬰兒的生長范圍內(nèi)，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，匯聚節(jié)點(diǎn)收到監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令后會(huì)立即執(zhí)行，以便達(dá)到控制要求。傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行遠(yuǎn)程控制中心命令的軟件流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制命令流程圖

Fig.5 The command executing procedure of the

sensor node

首先，系統(tǒng)上電后，初始化傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，然后不斷查詢匯聚節(jié)點(diǎn)是否收到遠(yuǎn)程控制中心發(fā)來的控制命令。如果檢測(cè)到ZigBee信息，那么由相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)控制命令進(jìn)行解析和執(zhí)行，并向遠(yuǎn)程控制中心返回育嬰箱的溫度信息；如果沒有檢測(cè)到信息，那么繼續(xù)查詢。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種基于WSN（Wireless Sensor Network）的育嬰箱智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)育嬰箱的遠(yuǎn)程監(jiān)控。論文中，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和GPRS技術(shù)的育嬰箱智能控制系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，并且從硬件、軟件兩方面具體闡述了本文的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。在進(jìn)一步的研究中將對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，并在保證數(shù)據(jù)通信可靠的情況下，降低能耗。

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作者簡(jiǎn)介：

陳再宏（1969-），男，本科，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師.研究領(lǐng)域：嬰 兒培養(yǎng)箱、輻射保暖臺(tái)的研發(fā)和設(shè)計(jì).