基于WSN的育婴箱智能监控系统

摘 要：为了实现育婴箱智能化管理问题，本文提出了一种基于WSN（Wireless Sensor Network）的育婴箱智能监控系统设计方案。该监控系统由传感器节点、汇聚节点、GPRS网络和远程监控中心组成。首先，通过温度传感器采集各个育婴箱的温度信息，然后利用ZigBee技术把温度信息传送到汇聚节点，最后利用GPRS网络把汇聚节点的信息传输到远程控制中心，从而实现对多个育婴箱的实时监控。

关键词：WSN；ZigBee技术；温度传感器；远程监控；育婴箱

中图分类号：TN92；TH89 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

为了给系统脏器功能尚未成熟，免疫功能低下，体温调节功能较差的新生儿创建一个空气洁净，温湿度适宜的舒适安全环境，育婴箱应运而生。其光线可以直接透过宽大的玻璃窗照射到箱内，箱内干燥、自动调温、无菌、无毒、隔音，里面活动范围大，除尿布外无多余衣布，幼儿可以在里面睡觉、游戏，箱壁安全，挂有玩具等刺激物，可不必担心着凉和湿疹一类的疾病。这个设计避免了外界一切不良刺激，有利于养育身心健康的儿童。目前，对育婴箱的管理基本依靠医院护士现场巡视的方式，该方法过于依靠人工方式，对人力造成浪费。

ZigBee[1]是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通信技术。

GPRS[2]是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，在GSM协议构架的基础上增加了支持分组的协议，而实现基于分组的无线通信服务。它借用了移动的接入网和传输网，提供端到端的、广域的无线IP连接。只要GSM网络覆盖的地方都可以使用这种网络，给用户提供了功能强大、方便灵活的数传解决方案，适用于涉及地域广、设备布局分散的场合。

本文拟通过WSN技术实现对多个育婴箱的远程监控，从而实现对育婴箱的智能化管理[3]。该智能监控系统利用当前先进的ZigBee和GPRS技术能够实现对育婴箱的实时监控。首先，通过温度传感器采集各个育婴箱的温度信息，然后利用ZigBee技术把温度信息传送到汇聚节点，最后利用GPRS网络把汇聚节点的信息传输到远程控制中心，实现了多个新生儿育婴箱实时远程监控，并且为育婴箱的使用提供多方面保护，使育婴箱的应用更加可靠、安全。

2 监控系统整体设计方案（Design of the monitoring

system）

结合育婴箱的特点，设计出一个基于WSN的育婴箱智能监控系统。该系统主要由传感器节点、汇聚节点、GPRS网络和远程监控中心等组成[4]，其结构如图1所示。各个传感器节点将采集到的数据传送到汇聚节点，汇聚节点负责接收和处理网络中所有育婴箱节点的信息，同时汇聚节点可以通过GPRS网络将采集到的数据传送到远程控制中心。

图1 监控系统结构图

Fig.1 The structure of the monitoring system

3 监控系统硬件设计（Hardware design of the

monitoring system）

3.1 传感器节点设计

传感器节点是WSN的基本单元，每个育婴箱都可以看作一个独立的无线传感器节点。传感器节点结构如图2所示。它由传感器模块和CC2530模块组成。

图2 传感器节点结构图

Fig.2 The structure of the sensor node

传感器节点的主控芯片采用片上系统（SOC）CC2530芯片模块[5]，采用温湿度传感器SHT11数字温湿度传感器[6]对育婴箱中的温湿度进行采集。温度传感器将采集到的数据送入CC2530模块中的ZigBee无线单元。通过该单元可以将采集到的温度数据传给汇聚节点。

3.2 汇聚节点设计

汇聚节点在整个智能化监控系统中起到承上启下的作用，它既负责建立和维护整个ZigBee网络，同时还需要接收各个传感器节点的信息并将汇集来的数据信息整合上传至远程实时监控端。另外，汇聚节点还通过RS-232串行接口与GPRS模块相连接以实现无线传感器网络与远程实时监控端的远程通信，实现无线网关的功能。汇聚节点的基本结构图如图3所示。

图3 汇聚节点结构图

Fig.3 The structure of the aggregation node

该节点由一个CC2530芯片模块和一个GPRS模块构成。GPRS模块采用广州致远电子有限公司的ZWG-28DP无线模块[7]。通过配置GPRS模块的相关网络参数以实现GPRS与Internet的连接，最终实现将传感器节点实时采集的数据传送至远程控制中心。另外，汇聚节点还可以接收远程监控中心发送的控制命令并执行，实现了监控中心远程控制育婴箱的功能。

4 监控系统软件设计（Software design of the

monitoring system）

4.1 传感器节点软件设计

传感器节点主要负责采集育婴箱的温度信息，并将温度发送给汇聚节点。传感器节点的软件采用C语言开发，流程图如图4所示。汇聚节点的软件流程与传感器节点的流程相似，但是增加了控制执行功能。

图4 传感器节点软件流程图

Fig.4 The software procedure of the sensor node

4.2 监控中心软件设计

远程监控中心能够实现对育婴箱的实时监控，汇聚节点通过GPRS网络把从传感器节点获得的温度信息传送到远程监控中心。监控软件利用C语言直接调用WINDOWS API函数方式编写，该智能监控软件具有实时监控、历史查询和系统相关配置等功能[8]。

该监控软件的实时监控部分通过WSN通信技术可以实现对育婴箱中温度的自动监控，并且能够将育婴箱中的温度信息以曲线的形式表示出来。同时，如果育婴箱中的温度不在适宜新生婴儿的生长范围内，可以通过监控系统向汇聚节点发送控制指令，汇聚节点收到监控中心发送的控制命令后会立即执行，以便达到控制要求。传感器节点执行远程控制中心命令的软件流程如图5所示。

图5 传感器节点执行控制命令流程图

Fig.5 The command executing procedure of the

sensor node

首先，系统上电后，初始化传感器节点和汇聚节点，然后不断查询汇聚节点是否收到远程控制中心发来的控制命令。如果检测到ZigBee信息，那么由相应的传感器节点对控制命令进行解析和执行，并向远程控制中心返回育婴箱的温度信息；如果没有检测到信息，那么继续查询。

5 结论（Conclusion）

本文提出了一种基于WSN（Wireless Sensor Network）的育婴箱智能监控系统设计方案，该监控系统能够实现对多个育婴箱的远程监控。论文中，设计了一种基于ZigBee和GPRS技术的育婴箱智能控制系统，并给出了该系统的结构框图，并且从硬件、软件两方面具体阐述了本文的设计思路和实现方法。在进一步的研究中将对远程监控系统的功能进行扩展，并在保证数据通信可靠的情况下，降低能耗。

参考文献（References）

[1] 杨玮，等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J]. 农业工程学报，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] 孙利民，等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005.

[4] 李道亮，傅泽田.智能化水产养殖信息系统的设计与初步实现 [J].农业工程学报，2000，16（4）：135-138.

[5] 张猛，房俊龙，韩雨.基于ZigBee和Internet的温室群环境远程 监控系统设计[J].农业工程学报，2013，29（增刊1）：171-176.

[6] 谢敏，徐会冬.智能传感器SHT11在单片机嵌入式系统中的应 用[J].现代电子技术，2005，205（14）：89-91.

[7] 肖新清，等.面向鲜食葡萄冷链物流的无线实时监测系统术 [J].电子技术应用，2013，39（8）：77-79.

[8] 史兵，等.基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统 [J].农业工程学报，2011，27（9）：136-140.

作者简介：

陈再宏（1969-），男，本科，高级经济师.研究领域：婴 儿培养箱、辐射保暖台的研发和设计.