基于ZigBee的醫(yī)用儀器倉庫無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐艷鳳　張亞婉　陳富樹

摘要：醫(yī)用儀器對(duì)存儲(chǔ)條件要求苛刻，故針對(duì)醫(yī)用儀器存儲(chǔ)的特殊性，設(shè)計(jì)了一套醫(yī)療儀器倉庫無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以ZigBee芯片CC2530為主控器，將主控芯片與DHT21數(shù)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?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過串口通信，將環(huán)境監(jiān)測(cè)信息傳輸至計(jì)算機(jī)終端設(shè)備，通過ESP8266 WiFi模塊傳送到移動(dòng)電話終端，該系統(tǒng)能對(duì)異常情況及時(shí)做出報(bào)警響應(yīng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，該無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能快速獲取環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，性能穩(wěn)定可靠，是一款低功耗、高效率的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);無線監(jiān)測(cè);醫(yī)用儀器;ESP8266

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(shí)逐步增強(qiáng)，對(duì)醫(yī)療儀器、醫(yī)學(xué)美容儀器的需求越來越大，醫(yī)用儀器的種類和數(shù)量都在不斷增加。與此同時(shí)，醫(yī)用儀器的安全管理和存儲(chǔ)問題變得越來越突出。由于醫(yī)用儀器使用的特殊性和專業(yè)性，對(duì)其存儲(chǔ)條件的要求越來越高。

本文從醫(yī)用儀器倉庫的安全管控角度出發(fā)，為了將醫(yī)用儀器安全地存放在倉庫中，需要自動(dòng)監(jiān)測(cè)其環(huán)境參數(shù)并要求系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。ZigBee技術(shù)具有的功耗低、延時(shí)短、成本低、容量高等特點(diǎn)恰好滿足這一需求。本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了醫(yī)用儀器倉庫無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并根據(jù)醫(yī)用儀器倉庫環(huán)境特點(diǎn)選取合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將數(shù)字式溫濕度傳感器、煙霧傳感器監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)上傳到計(jì)算機(jī)終端和移動(dòng)電話終端，解決了醫(yī)用儀器倉庫環(huán)境監(jiān)測(cè)布線困難、成本高、靈活性差的缺點(diǎn)，為危險(xiǎn)化學(xué)品、大型倉庫等領(lǐng)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)提供便捷、快速、安全的方式。

1系統(tǒng)概述

ZigBee可進(jìn)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(wǎng)絡(luò)通信中。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用以ZigBee協(xié)調(diào)器為中心的網(wǎng)絡(luò)，所有的設(shè)備要傳輸信息都需要通過協(xié)調(diào)器來進(jìn)行。此結(jié)構(gòu)容易搭建，適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目少、中距離無線傳輸信息的倉庫無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中環(huán)境感知測(cè)量主節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器擁有最多的網(wǎng)絡(luò)消息，其主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)進(jìn)行發(fā)送、無線網(wǎng)絡(luò)的建立以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理、收發(fā)數(shù)據(jù)。環(huán)境感知測(cè)量節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為無線網(wǎng)絡(luò)中的終端。

無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)倉庫環(huán)境參數(shù)的持續(xù)監(jiān)測(cè)、上報(bào)及超限值報(bào)警。結(jié)合ZigBee無線通訊技術(shù)與串口通信技術(shù)、ESP8266物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，采用溫濕度傳感器和煙霧傳感器組成下位機(jī)采集模塊，通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)計(jì)算機(jī)端，用VC++6.0編寫上位機(jī)控制程序，分析環(huán)境參數(shù)并做出決策。通過ESP8266 WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動(dòng)電話APP端，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以CC2530單片機(jī)為核心，通過溫濕度傳感器、煙霧傳感器、ZigBee測(cè)量節(jié)點(diǎn)、ZigBee測(cè)量協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)帶網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)軟件、移動(dòng)電話APP等完成對(duì)環(huán)境信息的測(cè)量、傳輸、顯示及報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2硬件電路

2.1 CC2530片上系統(tǒng)

選用CC2530片上系統(tǒng)作為采集處理和無線收發(fā)環(huán)境參數(shù)的主處理器。其是一款低成本、低功耗的控制器。擁有Zig-Bee協(xié)議棧，同時(shí)自帶8051內(nèi)核，應(yīng)用函數(shù)庫可以快速實(shí)現(xiàn)功能的調(diào)用，再配合相應(yīng)調(diào)試工具，能夠捕獲信道的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。CC2530芯片及周邊元件已經(jīng)集成在一塊電路板上，可用引腳均已引出。

2.2測(cè)量節(jié)點(diǎn)模塊電路

測(cè)量節(jié)點(diǎn)模塊作為倉庫環(huán)境參數(shù)采集的基本單元，系統(tǒng)中各測(cè)量節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)庫區(qū)溫度、濕度、煙霧等信息的采集。系統(tǒng)選用DHT21溫濕度傳感器采集溫濕度信息。DHT21測(cè)量濕度范圍為0～99.9%;測(cè)濕精度為±3%RH;測(cè)溫范圍為-40～+80℃;測(cè)溫精度為±0.5℃;分辨率為0.1%RH/0.1℃。系統(tǒng)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(cè)，其檢測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧的范圍100～10000 mg/L。

傳感器將采集到的信息進(jìn)行處理，并打包通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到測(cè)量協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)?？紤]到節(jié)點(diǎn)的便攜性、實(shí)用性及功耗，節(jié)點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)鋰電池進(jìn)行充電。TP5410可以提供高達(dá)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(jī)狀態(tài)下的供電電流小于10 IxA。短按開關(guān)按鍵可以暫停或打開發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)，主控芯片通過監(jiān)視P0.1_BTN引腳電平，在主程序中設(shè)計(jì)短按觸發(fā)相應(yīng)的處理事件。系統(tǒng)功能配置電路如圖2所示。

2.3協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)電路

測(cè)量協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、綁定節(jié)點(diǎn)終端完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)無線收發(fā)，同時(shí)將各節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)和移動(dòng)電話APP端。協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)需要收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后與上位機(jī)以及移動(dòng)電話進(jìn)行通信，在協(xié)調(diào)器電路的設(shè)計(jì)中使用CH340串口電路和ESP8266 WiFi模塊。圖3所示為USB轉(zhuǎn)串口CH340芯片通信應(yīng)用電路。

加入ESP8266 WiFi模塊，方便系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量和監(jiān)控。ESP8266 WiFi模塊可以通過AT命令設(shè)置為服務(wù)器模式、終端模式、服務(wù)器加終端這3種模式。本系統(tǒng)設(shè)置WiFi模塊為Soft AP+Station模式，用戶的移動(dòng)終端可以作為Station連入ESP8266的服務(wù)器接口，可以將ESP8266作為終端連上路由器，用戶移動(dòng)終端同時(shí)連上路由器，通過在移動(dòng)終端軟件上設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)端口，移動(dòng)終端用戶可以通過云端監(jiān)控倉庫的環(huán)境信息。圖4所示為ESP8266WiFi模塊接口電路。

3軟件設(shè)計(jì)

基ZigBee的醫(yī)用儀器倉庫無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)、測(cè)量節(jié)點(diǎn)構(gòu)成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)程序和測(cè)量終端節(jié)點(diǎn)程序，均采用C語言編寫。本設(shè)計(jì)中，構(gòu)建ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench，采用的協(xié)議棧是TI的Z-STACK。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序應(yīng)用Z-Staek-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧的Sam-ple APP進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。

3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件

環(huán)境測(cè)量協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)上電后，首先會(huì)進(jìn)入初始化函數(shù)，初始化相應(yīng)的GPIO端口和各應(yīng)用層;再調(diào)用ZigBee設(shè)備對(duì)象層的初始化函數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化操作，從而創(chuàng)建一個(gè)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建后，環(huán)境監(jiān)測(cè)測(cè)量協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)會(huì)逐一檢測(cè)當(dāng)前可用信號(hào)通道的強(qiáng)度，再根據(jù)其強(qiáng)度進(jìn)行篩選，選擇信號(hào)強(qiáng)度在一定范圍值得信道來作為該無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺?。并為這個(gè)新建的網(wǎng)絡(luò)分配一個(gè)唯一的16位網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符。協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.2測(cè)量節(jié)點(diǎn)軟件

環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電之后，首先會(huì)進(jìn)入初始化函數(shù)，然后掃描附近是否有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的存在。如果掃描到附近有相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)，Network層會(huì)向ZigBee設(shè)備對(duì)象層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)存在消息，然后Network層向信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)綁定請(qǐng)求;綁定網(wǎng)絡(luò)成功后，則Network層會(huì)向ZigBee設(shè)備對(duì)象層提供加入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的消息。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后不斷地通過環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)所處環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至環(huán)境監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的處理。測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.3環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)

環(huán)境監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)將各測(cè)量節(jié)點(diǎn)所采集到的環(huán)境信息處理匯總通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)端上位機(jī)進(jìn)行顯示監(jiān)控。圖7所示為計(jì)算機(jī)端上位機(jī)的界面圖，顯示界面中的坐標(biāo)軸會(huì)跟隨測(cè)量物理量的不同而自動(dòng)調(diào)整。通過配置串口通信的相應(yīng)控件，使得系統(tǒng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行顯示和監(jiān)控。

3.4環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Android應(yīng)用程序

環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用程序，可以實(shí)時(shí)查看各節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)和煙霧濃度數(shù)據(jù)，同時(shí)拓展了控制功能，通過對(duì)界面上相應(yīng)功能按鍵的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)模塊的調(diào)控。Android應(yīng)用程序啟動(dòng)后會(huì)提示用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器IP地址的連接，用戶按提示信息打開移動(dòng)終端的WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，如圖8所示。用戶填寫環(huán)境監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器IP地址，應(yīng)用程序?qū)懭肽J(rèn)端口，移動(dòng)終端用戶不需要輸入。

Android應(yīng)用成功連上路由網(wǎng)關(guān)設(shè)備之后，環(huán)境參數(shù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)顯示在相應(yīng)的終端區(qū)域，同時(shí)在下方會(huì)顯示當(dāng)前接收或發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)，方便調(diào)試應(yīng)用。如圖9所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件電路測(cè)試和軟件電路測(cè)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(guān)動(dòng)作、系統(tǒng)正常工作電流、系統(tǒng)待機(jī)工作電流、無線發(fā)射接收信號(hào)強(qiáng)度等，硬件電路工作正常。軟件測(cè)試主要包括通信質(zhì)量、信息采集數(shù)據(jù)及警報(bào)是否正常。試驗(yàn)使用1塊CC2530板作為協(xié)調(diào)器，4塊CC2530板作為終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器收到終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和移動(dòng)電話終端，系統(tǒng)終端監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)量結(jié)果基本一致，通過上位機(jī)設(shè)置閾值，溫濕度、煙霧濃度超限，上位機(jī)和移動(dòng)電話端均可及時(shí)報(bào)警，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5結(jié)束語

本文針對(duì)醫(yī)用儀器倉庫建立的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地采集環(huán)境信息，并通過不同的通信方式分別傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端和移動(dòng)電話APP端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。并設(shè)置自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，最終達(dá)到加強(qiáng)醫(yī)用儀器倉儲(chǔ)安全管理的目的，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。后續(xù)研究中，進(jìn)一步加強(qiáng)研究發(fā)生警報(bào)后如何自動(dòng)消除警報(bào)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，提高無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化。