武磊　李軍　張雯　王耀弘

摘 要：嬰兒培養(yǎng)箱是為剛出生的體弱多病的嬰兒提供治療的設(shè)備，設(shè)備的可靠性關(guān)乎嬰兒的生命安全。文章介紹了一種新型的嬰兒培養(yǎng)箱智能警報裝置，該裝置通過結(jié)合傳感器、單片機、GSM模塊和聲光警報器，可實現(xiàn)對嬰兒培養(yǎng)箱的實時監(jiān)控、警報，當(dāng)嬰兒培養(yǎng)箱發(fā)生故障時，該裝置會針對不同的情況做出不同的反應(yīng)，以保障嬰兒的生命安全。

關(guān)鍵詞：嬰兒培養(yǎng)箱；智能報警裝置；傳感器

1 概述

嬰兒培養(yǎng)箱是為早產(chǎn)兒和病嬰提供了一個空氣凈化溫濕適宜，類似母體子宮的優(yōu)良環(huán)境。嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)的溫濕度可根據(jù)需要設(shè)定。目前國內(nèi)還沒有對嬰兒培養(yǎng)箱實時監(jiān)控的智能裝置，因此設(shè)計一種嬰兒培養(yǎng)箱的智能警報裝置是非常有必要的。文章結(jié)合《JJF 1260-2010 嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》和《GB 11243-2008醫(yī)用設(shè)備：嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求》，設(shè)計了一種智能監(jiān)控警報裝置。該裝置采用的是分項集成式測量，可同時測量5個不同位置的溫度參數(shù)，任意一點的溫度參數(shù)、氧含量參數(shù)以及噪聲參數(shù)，再與單片機、GSM模塊、擴音設(shè)備等結(jié)合，達(dá)到自動監(jiān)控警報的功能。

2 系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩個模塊。硬件模塊主要由信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、計算機構(gòu)成。信號調(diào)理電路用于對電壓信號進(jìn)行放大、濾波等處理。數(shù)據(jù)采集器用于采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓信號，并通過串行總線方式將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機。單片機用于處理、分析、顯示數(shù)據(jù)。軟件模塊主要是對單片機進(jìn)行編程，讓其能對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制聲光警報、中斷器、GSM模塊等。

系統(tǒng)的工作原理是傳感器將嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)采集以后，傳送到數(shù)據(jù)采集卡處理，再將數(shù)據(jù)傳送到單片機。單片機的工作方式為：

（1）單片機將對接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對，若收到的數(shù)據(jù)不在單片機啟動工作所設(shè)定的參數(shù)值內(nèi)，單片機不做出任何反應(yīng)，培養(yǎng)箱正常工作。

（2）若氧含量參數(shù)、濕度參數(shù)、噪聲參數(shù)中的任何一個參數(shù)在設(shè)定的參數(shù)值內(nèi)，溫度參數(shù)值大于設(shè)定的值但未超過38℃時，單片機將控制聲光警報裝置響起，若60秒內(nèi)無人來關(guān)閉開關(guān)，則單片機將控制GSM模塊工作，向該院的負(fù)責(zé)人、該培養(yǎng)箱的工作人員發(fā)送信息進(jìn)行通知，直到工作人員按下復(fù)位開關(guān)，單片機重新對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

（3）若溫度參數(shù)值大于設(shè)定的值且超過38℃時，單片機將控制聲光警報裝置響起，GSM模塊立刻工作向該院的負(fù)責(zé)人、該培養(yǎng)箱的工作人員發(fā)送信息進(jìn)行通知，并且單片機立即控制切斷嬰兒培養(yǎng)箱的電源。

3 硬件設(shè)計

3.1 傳感器選型

本裝置的硬件部分設(shè)計主要的功能是對嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境參數(shù)的測量、放大、濾波等調(diào)理工作。設(shè)計過程中根據(jù)不同的參數(shù)選用不同的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡以及放大調(diào)理電路。

溫度測量模塊選用Pt100作為測溫元件。Pt100 的氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫環(huán)境下，其物理、化學(xué)性質(zhì)不會發(fā)生較大的改變，具有高精度、較好的穩(wěn)定性、性能可靠的特點，在0℃到60℃內(nèi)應(yīng)用廣泛。氧含量測量部分選用的是英國Alphasense公司的（O2-A2）氧氣傳感器，該傳感器最主要的功能室測量大氣中氧氣的濃度，具有較高的使用壽命，不同氧氣濃度下的輸出是線性關(guān)系滿足我們使用的要求。濕度測量模塊選用的是瑞士SENSIRIO公司生產(chǎn)的FLEX2000TH溫濕度測量模塊，該模塊的傳感器具有高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、較強的抗干擾能力等貼點，在測量濕度方面具有廣泛的應(yīng)用。噪聲測量模塊，選用的是愛華AWA5636聲級計。愛華AWA5636型聲級計是一種數(shù)字化顯示、具有多種功能的聲級計。采用AWA14421型預(yù)極化測試電容傳聲器，使用數(shù)字檢波技術(shù)，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬，可用于工業(yè)噪聲測量以及環(huán)境噪聲測量。

選用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集熱電阻輸出的信號。ADAM-4015是一個16位的A/D六通道熱電阻輸入模塊，其通過RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以同時對多個點的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集精度可達(dá)到正負(fù)0.1%。采集環(huán)境中的氧含量參數(shù)選用的是研華ADAM4017+。ADAM4017+是一個十六位的A/D 八通道的模擬量輸入模塊，輸入的信號可以是電流信號也可以是電壓信號，支持八路差分信號，支持應(yīng)用廣泛的Modbus協(xié)議，其輸入的范圍可以使4-20mA的電流，滿足我們使用的氧含量傳感器輸出的要求。對于噪聲信號的測量，調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)計算機的信號會對聲級計的本底噪聲造成干擾，故設(shè)計了一個光耦隔離器，通過高速光耦講聲級計輸出的信號進(jìn)行隔離傳輸，確保信號不會受到干擾。

3.2 GSM通訊模塊

警報信息的發(fā)送選用的GSM模塊是Siemens公司推出的TC35無線通信模塊，可高效迅速的將系統(tǒng)中設(shè)定的警報內(nèi)容發(fā)送到系統(tǒng)指定的人員。模塊的工作電壓為3.3-5.5V，其工作頻段為900MHz和1800MHz，工作于900MHz頻段時所耗功率為2W；工作于1800MHz頻段時所耗的功率為1W。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。

4 軟件設(shè)計

為了提高單片機處理時的速度與效率，程序采用了中斷分別用于警報和串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，介于單片機中斷優(yōu)先級只有高低兩級之分。警報信息響起后相關(guān)人員關(guān)閉警報所采取的辦法是通過按鈕使單片機復(fù)位。當(dāng)單片機受到的信號處于讓單片機工作的范圍內(nèi)時，圣光警報響起以警示嬰兒培養(yǎng)箱的工作人員，若在GSM模塊延時工作的時間內(nèi)接收到復(fù)位信號，則取消警報。如果在規(guī)定時間內(nèi)沒有取消，則開始通過GSM發(fā)送警報信息至提前設(shè)置好的聯(lián)系人；若溫度超過38℃，GSM模塊直接工作，且控制中斷器切斷嬰兒培養(yǎng)箱電源。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的一種嬰兒培養(yǎng)箱只能警報裝置是由氧分析測量模塊、濕度測量模塊和溫度測量模塊以及噪聲測量模塊組成。同時，所采集到的信號的精度和要求皆滿足《JJF 1260-2010 嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》。采集信號通過與單片機中設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比，若采集到的參數(shù)在所設(shè)定的值內(nèi)，單片機控制聲光警報、GSM模塊等工作。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)嬰兒培養(yǎng)箱發(fā)生事故時的智能警報，減少嬰兒所受到的傷害，及時挽救和保護(hù)嬰兒。

通過對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析以及測試試驗，實驗結(jié)果表明該嬰兒培養(yǎng)箱想警報裝置的技術(shù)指標(biāo)和性能完全滿足《JJF 1260-2010嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范》的要求。該裝置操作簡單且具有較高的測量精度及分辨率，且具有良好的人機交互功能。同時為了提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠度，系統(tǒng)在傳輸線的信號干擾設(shè)計方面進(jìn)行了完善，避免檢測過程中信號干擾產(chǎn)生較大誤差。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：武磊（1991-），男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，主要從事機電設(shè)備設(shè)計與控制研究。