婴儿培养箱中央监测系统研制

金海霞，鲍俊成，陈绵康，左长山，刘燕

湖北医药学院附属十堰市太和医院，湖北 十堰 442000

婴儿培养箱中央监测系统研制

金海霞，鲍俊成，陈绵康，左长山，刘燕

湖北医药学院附属十堰市太和医院，湖北 十堰 442000

目的 设计一套可以对婴儿培养箱实时状态进行无线监测的系统。方法 利用短距离无线通信技术为载体，采用STC89C52为控制核心，实现从机和主机之间的信息传递。结果 实现了各个培养箱的温度信息能实时准确地传达到放置在护理站的主机系统。结论 经仿真测试，该系统基本满足了设计要求，其设计思想可以为其他医疗设备的监测提供理论参考。

婴儿培养箱；STC89C52单片机；温度传感器；无线通信技术

0 前言

婴儿培养箱是为早产儿、低体重儿、病危儿、新生儿提供一个类似母体子宫的培养环境的设备[1]。它的安全性能与婴儿的人身安全直接相关，不容忽视。实际使用中，其操作与巡查多半是由值班护士来完成，在3级以上的医疗机构或规模较大的儿童医疗中心，每天都有大量的患儿在培养箱中接受治疗，护理人员一方面要完成必须的护理工作，另一方面还要定时对各个培养箱进行检查，工作量很大，难免会出现巡检不到位的情况，甚至还会出现培养箱不报警就不巡查的情况。此时，如果加热系统和温度监控系统出现了故障，在温度失控的情况下，培养箱也不会报警，婴儿的生命安全将得不到保障[2]。近年来，因培养箱温度失控而导致婴儿伤亡的情况屡有发生。如果能够以一种便捷的方式将所有在用培养箱的运行状况进行集中监测，使得护士在护理站就可以看到所有培养箱的工作状态，必定能够大大减轻工作量，并且能及时发现问题。“婴儿培养箱中央监测系统”就是因此而研制的。

1 原理与方法

1.1 微功率短距离无线通信技术

工业应用中，现阶段基本上都是以有线传输的方式来实现各种控制功能的。各种总线技术、局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大地推动作用。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。但随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的设备或人们不方便随时到达的现场[3]。

1.2 硬件设计

婴儿培养箱无线监测系统的发送和接收模块的框图，见图1。主机节点和从机节点均以基于51内核的STC89C52单片机控制，从机节点控制温度传感器DS18B20采集环境的温度，然后利用nRF905无线传输模块将采集到的温度数据发送给主机接收模块进行相应处理。

1.2.1 电源电路

本设计所需的电压为3.3 V，故采用LM1117-3.3电源供电系统，见图2。无线发送模块以及温湿度测量模块使用的器件皆为低功耗器件。对发送端而言，可以采用5 V电池供电，很适合在野外等环境进行温湿度测量采集；而接收端可以采用5 V开关电源供电。其核心部件LM1117-3.3是一个低压差电压调节器系列。压差在1.2 V输出，此时相应的负载电流为800 mA。

1.2.2 单片机控制部分

本设计采用基于51内核的8位单片机STC89C52RC作为控制芯片。该单片机采用经典的CISC结构，片内RAM容量为512 B，程序存储器采用FLASH存储技术，容量为8 kB，可重复擦写100000次，片上外设有1个UART、2个定时器、2个外部中断[4]。STC89C52RC可外接80M晶振，工作电压为3.4～5.5 V，可工作在掉电模式、空闲模式、以及正常模式。处于掉电模式时可由外部中断唤醒，适用于用电池供电的系统。这些多样的模式使其成为低功耗产品的最佳控制芯片之一。STC89C52RC可以采用软件模拟的方式来对3线或4线SPI总线进行操作，接口简单；支持主机和从机操作器件可以工作于发送器模式或接收器模式，并且支持多主机仲裁。

1.2.3 无线收发模块

无线收发芯片采用挪威Nordic公司的单片无线收发器芯片nRF905。工作电压为1.9～3.6 V，工作于433/868/915 MHz三个ISM频道。国内可以免费使用433频段，最大数据速率为100 kB/s，芯片内部集成了频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器。其主要特点是能够自动处理报头和CRC冗余校验，而且可以直接通过SPI接口来进行软件配置。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时，电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12.5 mA，并内建有空闲模式与关机模式，易于实现节能[5]。nRF905的应用电路，见图3。电路主要利用nRF905与外围器件构成的电路组成无线发送接收电路。其中，nRF905模块的SPI接口引脚MOSI、MISO、SCK、CSN引脚分别接STC89C52RC的引脚：P1^5（MOSI），P1^6（MISO），P1^7（SCK），P1^3（CSN）。nRF905的SPI接口工作于从机模式，并且利用环形天线发射信号[7]。

1.2.4 温度测量模块

本设计所采用的温度传感器是Dallas公司的DS18B20，该传感器采用单总线结构，具有线路结构简单，体积小等特点，使用户可以轻松的组件传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念[6]。

由于DS18B20采用单总线协议方式，而对STC89C52RC来说，在硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件模拟的方式来实现对DS18B20的访问。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，将单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令之后，主机需要启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是按照由低位到高位的顺序进行的。其电路结构，见图4。

1.2.5 上位机接口电路

为了便于监控，引入上位机功能，并加入串口通信模块。3.3 V到RS 232电平(±12 V)的专用转换芯片MAX3232的外围电路见图5，其中5个电容均取0.1 μF的典型值。串口DB9只用3根线，5端为公共端接系统的地，2、3端分别是接收和发送端。DB9接口通过交叉串口线连到PC机上，这样就可以完成硬件串行通信[9]。

1.3 系统软件设计

由于要实现对多个节点的信息采集，因此需要构建一个无线通信网络。在网络通信原理中，星型网络是最常用，也是最简单稳定的网络组成方式[5]。抛去网络通信机制的种种繁杂和专业的术语，从无线芯片自身特点和应用角度出发，星型网络，一般采用轮询机制，按地址轮询或者按频点轮询。从软件实现的角度，两种方案均可行，但是从降低功耗的角度看，地址轮询模式更有优势，因为采用频点轮询方式时，各子节点一直处于发射模式，而采用地址轮询方式时，各子节点发送完数据后，会切换到等待状态，由于各个子节点大多数时间都处于等待状态，显然功耗更低[8]。地址轮询方式的原理图，见图6。

对于温度和湿度，它们并非是急剧变化的物理量，温湿度的变化往往是缓慢进行的，因此针对这个特点对于温湿度的测量采集并非需要时时刻刻都在进行。而是每隔T时间采集1次，T根据实际需求而定。

对于从机而言，在测量发送数据以后，应考虑到数据传输的可靠性，因此加上校验功能，并且为防止偶然的发送失败带来的不良后果，采取定时等待，超时后重发，收到主机命令后才进入等待模式。对于主机而言，所完成的任务是时刻检测无线接收模块，对于收到的数据进行校验，如果正确收到数据则通过LCD显示器显示温度值；而接收到错误数据后不做任何处理，等待接收端再次发送数据，其原理图，见图7[10]。

2 结论

通过仿真测试，该系统基本达到了预期的设计要求，实现了对各个在用培养箱温度值的实时监测。还有待解决的问题是：个别位置的节点，由于墙壁的阻隔及信号的衰减，无法正确地接收和回传数据。可以考虑增加中继节点，以扩大系统的覆盖范围。

[1] 莫利明.婴儿培养箱质量控制的实践与技术探讨[J].中国医疗设备,2011,26(3):49-51.

[2] 李宏毅,刘宇静,王丹.婴儿培养箱的安全使用与维护保养[J].医疗卫生装备,2010,(5):99-100.

[3] 广州致远电子有限公司.短距离无线通信技术对比[J].电子技术应用,2011,(3):16-17.

[4] 求是科技.8051系列单片机C程序设计完全手册[M].1版.北京:人民邮电出版社,2006:2-20.

[5] 李文仲,等.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京:北京航天航空大学出版社,2006:8-10.

[6] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009:342-343.

[7] 顾娟娟,李建清,邹留华.基于nRF905 的无线数据通信系统的设计[J].电子器件,2008,(2):529-532.

[8] 陈亮甫,韩玉杰,徐凯宏.基于无线通信技术的多点动态温度测控系统[J].传感器与微系统,2011,(2):81-83.

[9] 求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2004:350-364.

[10] 吕跃刚,高昇辅,范俊峰,等.基于nrf905无线数传模块的设计及其实现[J].微计算机信息,2006,(35):274-277.

Development of Central Monitoring System of Infant Incubators

JIN Hai-xia, BAO Jun-cheng, CHEN Mian-kang,ZUO Chang-shan, LIU Yan
Taihe Hospital Affiliated to Hubei University of Medicine, Shiyan Hubei 442000, China

Objective To design a system which can wirelessly monitor the real-time status of infant incubators. Methods Taking short-range wireless communication technology as carrier, and STC89C52 as control center, the information transmission between the host and the client could be implemented. Results The host system placed in nursing station is achieved, which is transmitted to temperature information of each incubator in real-time and accurately. Conclusion Through the simulation test, the system can basically meet the design requirement, and its design idea can offer theory reference for other medical equipment monitoring.

infant incubator; STC89C52 single chip microcomputer (SCM); temperature transmitter; wireless communication technology

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.008

1674-1633(2012)09-0042-04

2012-03-13

2012-06-06

本文作者：金海霞，主治医师，在读硕士研究生。

鲍俊成，工程师，在读硕士研究生，湖北省医学会医学工程分会青年委员。

通讯作者邮箱：ramboa007@163.com