基于ZigBee技术的病房环境智控系统设计

朱珍林

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

基于ZigBee技术的病房环境智控系统设计

朱珍林

(四川大学 电子信息学院，四川 成都610065)

针对日常生活中人们对病房环境集中监控的要求，着力于节约成本、远距离测控、大范围监控等问题，围绕SZ05模块进行了智能控制系统的设计与实现。该系统采用msp430单片机作为下位机控制器，将采集到的温湿度、光强和烟雾信号经过SZ05模块组成的ZigBee无线传输网络传到上位机；用VB编写上位机的操作监控图形界面，可以在上位机上实时显示各种采集的信息，并可控制下位机温湿度和光强度达到理想值。测试结果表明，系统具有性能稳定、管理灵活、功耗较低等优点。

ZigBee；传感器；VB；智能监控

0 引言

病人及早产婴儿等在经过治疗之后，预后处理也是急需解决的问题，不仅要让他们处于适宜的温湿度之中，而且还要求光强度不能超过合理范围之内，另外烟雾肯定也会影响他们。因此，对于病房的环境监控就显得很重要了。传统的对于病房环境的监控大多采用人工手动的方式，这样既浪费人力又不方便管理。本系统主要监测的是房间中的温湿度、光强度以及是否有烟雾，可在多个房间布置终端节点，通过组建一个星型网的方式对多个节点的数据集中监控，能够在异常报警的情况下控制温湿度以及光强度达到合适的范围。

1 方案设计

图1是系统单个终端节点框图。系统采取的组网方式是星型网，下位机的控制器选用msp430单片机，msp430是一款可以实现极低功耗单片机。终端的数量可结合实际情况设定。系统工作原理：传感器将采集到的数据通过下位机控制器msp430传到ZigBee模块1，并在显示器上显示，ZigBee模块1通过路由器ZigBee模块2传到中心节点ZigBee模块3，再通过串口将数据传送到PC。在PC上用VB编写串口软件，实时显示各种数据的变化曲线。温度和湿度以及光强可经过人为设定，并发送控制命令经ZigBee网络送到下位机，下位机比较设置值，从而控制加热继电器和风扇继电器，直至温湿度达到设定值，通过改变输出PWM波的占空比来控制灯光强弱。声光报警器主要用于对异常情况报警。最终PC通过以太网通信接口实现远程通信。

图1 系统框图

2 硬件设计

系统主要由传感器采集部分、ZigBee数据传送部分、控制电路以及串口部分组成。

节点电源模块的设计选用AMS11173V3芯片，系统设计为USB供电方式或干电池供电，预留锂电池接口，供电电源之间可无缝切换，电源模块主要为系统提供稳定3.3 V电压[1]。

ZigBee模块选用顺舟公司的SZ05模块，它采用了加强型的ZigBee无线技术，具有通信距离远、组网灵活、抗干扰能力强等优点和特性，可实现多设备间的数据透明传输。它在无干扰情况下通信距离为100～2 000 m[2]。它主要分为三种传输模式：单播、主从、广播。系统中将所有节点设为主从模式，此模式下非中心节点默认将数据发往中心节点，中心节点可根据非中心节点的具体地址发送数据，这样便可组成一个星型网[3]。在系统中SZ05的主要功能是对串口通信和ZigBee无线通信相互转换，通过无线ZigBee进行组网通信。它的硬件电路比较简单，将单片机的P1.1与SZ05的RXD脚相连，P1.2与TXD脚相连并接上电源和地即可，在串口调试助手中将串口波特率设置为9 600 b/s，8位数据位，1位停止位，无校验位，无流控。

温湿度传感器选取SHT11,它采用COMSENSTM技术，不仅将温度与湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、IIC总线电路等全部集成在一起[4]。SHT11与单片机连接图如图2所示，只需将DATA引脚和SCK引脚分别与msp430的P1_3，P1_4相连。

图2 SHT11与单片机电路图

光强度传感器模块为GY-30，烟雾传感器选用MQ-5气敏式烟雾传感器，可控硅触发电路主要采用可控硅绝缘驱动器MOC3061[5]。可将传感器设置为定时采集温湿度。

3 软件设计

在设计中，下位机的主要功能是利用传感器采集数据并实时显示，将采集到的数据通过串口发送到ZigBee模块SZ05，再经过ZigBee网络发往上位机。接收上位机控制信号通过控制加热继电器以及风扇继电器和改变输出PWM波占空比来调节温湿度以及光强度。下位机的总程序流程图如图3所示。

由于要巡回采集3路传感器数据，先编写定时器周期函数，以固定周期巡回采集，周期设置为100 ms，空闲时间关闭传感器电源以降低功耗，将采集的温湿度、光强度等数据进行打包，msp430通过串口将数据发送到SZ05。由于设置所有SZ05芯片为主从模式，此时不必发送地址信息，通过发送函数直接发送数据即可。

其中PWM波形是通过两个定时器中断控制产生，一个定时器用来改变周期内高电平持续的时间，由此便可控制LED灯的灯光强度，而另一个定时器则主要用来产生PWM基波[6]。部分代码如下，通过改变light的值可以改变光的强度。

static char light=0;

light=light+1;

if(light==light_pwm)

HalledSet(HAL_LED_OFF);

if(light==10)

{

HalledSet(HAL_LED_ON);

light=0;

}

图3 下位机控制器流程图

上位机采集数据时，首先配置传感器参数并发送读取参数命令，当串口接收中断被触发时，就意味着有数据进入，此时可对数据进行分析，并提取传感器数据。最后将数据在界面上显示。

上位机中，主要是实时将终端节点传送过来的数据显示在GUI上，并可通过GUI发送控制命令，如调节温度和调节湿度等。为了控制方便，用VB6.0编写用户控制界面，为了便于用户管理，所有的控制命令均在此处发出。将串口控件参数配置为：波特率9 600 b/s、8位数据位、1位停止位、无奇偶检验位，同时，所有串口参数的配置要一致。

首先令Comm1.RThreshold=1，这样，接收缓冲区中每来一个字符，MSCom控件便产生一个onComm事件。其次设置各种发送命令按钮，例如设置Command8为单击升温事件，当发生此事件时，发送调控数据前会先发送地址[7-8]。软件中令Command10为关机命令按钮，当它按下时，将相应的数据保存在一个名为data的文件中，以便在下一次开机时能恢复到上次关机状态。操作界面如图4所示。

图4 操作图形界面

4 系统测试

为方便起见，只在一个房间布置一个终端节点测试，以测试温度和光强为例。将采集的温度传感器数据以温度计测量的数据为基准，如图5(a)所示，采用双折线的方式在Excel软件中进行对比[9]。在上位机中发送亮度值为3 750的指令，如图5(b)所示。可看到终端输出占空比为75%的PWM波形调光信号。

图5 测试结果图

可以看出，温度与实际温度比较接近，证明本设计对于温度的处理有较高的精度，同时，光强的控制也符合期望。限于篇幅对于其他测试不再赘述。

5 结论

本系统最具特色之处是利用ZigBee无线自组网络成功实现了对病房环境的远程监控，克服了管理落后、单一控制、人员浪费等问题。本文主要从硬件设计和软件设计两个方面进行了阐述，测试结果表明，相比于传统设计，本系统具有低功耗、稳定性好等优点，所设计的节点符合802.15.4协议，还可与其他符合该协议的产品连接，因此还具有可扩展性，达到了预期的设计目标。

[1] 余欢.基于ZigBee和Android技术的智能家居监控系统设计[J].工业控制计算机，2015,28 (4)：73-75.

[2] 沙占友.集成智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 刘志成，牛建林.教室灯光智能控制器设计[J].电子测量技术，2013,36(4)：32-35.

[4] 刘贞贤，陈祥光，赫永霞.一种新型的传感器网络[J].现代电子技术，2013,36(16)：18-20.

[5] 彭燕.基于ZigBee无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34(5)：49-51.

[6] 张同翰，王正彦，袁双,等.基于CC2530的ZigBee的智能家居系统设计[J].工业控制计算机，2015,28(4):75-78.

[7] 孙彩云.基于ZigBee的无线组网技术研究[D].太原：中北大学，2011.

[8] 辛海亮，钟佩思，朱绍琦，等.基于ZigBee的物联网智能家居控制系统[J].电子技术应用，2013,39(12)：79-81.

[9] 崔冰清，褚丽莉，杜仁鹏.基于单片机和GSM的智能家居系统的设计[J].微型机与应用，2017,36(7)：50-52.

Design of ward environment control system based on ZigBee

Zhu Zhenlin

(Electronic Information Institute,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

In view of daily life of ward environment centralized monitoring requirement,this paper focuses on the problems such as cost savings,remote measurement and control,and wide range monitoring,and around SZ05 module designs and implements the intelligent control system. This system takes msp430 single chip microcomputer as lower PC,and the temperature and humidity,light intensity,and smoke signals collected are transmitted to apper PC by ZigBee wireless transmission network which is composed of SZ05. It uses VB to write a graphical interface of upper PC,which can on the upper PC in real time display all kinds of information collected,and control the temperature and humidity and light intensity of lower PC to achieve the ideal value. Test results show that the system has stable performance,flexible management,and low power consumption.

ZigBee; sensor; VB; intelligent monitoring

TN92

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.031

朱珍林.基于ZigBee技术的病房环境智控系统设计J.微型机与应用，2017,36(24)：109-111.

2017-05-26)

朱珍林(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：基于无线自组织网络的测控系统设计。