武磊　李軍　張?chǎng)⊥跻?/p>

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(bào)裝置，該裝置通過(guò)結(jié)合傳感器、單片機(jī)、GSM模塊和聲光警報(bào)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)監(jiān)控、警報(bào)，當(dāng)嬰兒培養(yǎng)箱發(fā)生故障時(shí)，該裝置會(huì)針對(duì)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(bào)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(gè)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(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能裝置，因此設(shè)計(jì)一種嬰兒培養(yǎng)箱的智能警報(bào)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(jì)了一種智能監(jiān)控警報(bào)裝置。該裝置采用的是分項(xiàng)集成式測(cè)量，可同時(shí)測(cè)量5個(gè)不同位置的溫度參數(shù)，任意一點(diǎn)的溫度參數(shù)、氧含量參數(shù)以及噪聲參數(shù)，再與單片機(jī)、GSM模塊、擴(kuò)音設(shè)備等結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控警報(bào)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(gè)模塊。硬件模塊主要由信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理電路用于對(duì)電壓信號(hào)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(hào)，并通過(guò)串行總線方式將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)用于處理、分析、顯示數(shù)據(jù)。軟件模塊主要是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，讓其能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制聲光警報(bào)、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(jī)。單片機(jī)的工作方式為：

（1）單片機(jī)將對(duì)接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，若收到的數(shù)據(jù)不在單片機(jī)啟動(dòng)工作所設(shè)定的參數(shù)值內(nèi)，單片機(jī)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(gè)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(guò)38℃時(shí)，單片機(jī)將控制聲光警報(bào)裝置響起，若60秒內(nèi)無(wú)人來(lái)關(guān)閉開(kāi)關(guān)，則單片機(jī)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(kāi)關(guān)，單片機(jī)重新對(duì)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(guò)38℃時(shí)，單片機(jī)將控制聲光警報(bào)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(jī)立即控制切斷嬰兒培養(yǎng)箱的電源。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選型

本裝置的硬件部分設(shè)計(jì)主要的功能是對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱環(huán)境參數(shù)的測(cè)量、放大、濾波等調(diào)理工作。設(shè)計(jì)過(guò)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(cè)量模塊選用Pt100作為測(cè)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(huì)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(diǎn)，在0℃到60℃內(nèi)應(yīng)用廣泛。氧含量測(cè)量部分選用的是英國(guó)Alphasense公司的（O2-A2）氧氣傳感器，該傳感器最主要的功能室測(cè)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(cè)量模塊選用的是瑞士SENSIRIO公司生產(chǎn)的FLEX2000TH溫濕度測(cè)量模塊，該模塊的傳感器具有高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、較強(qiáng)的抗干擾能力等貼點(diǎn)，在測(cè)量濕度方面具有廣泛的應(yīng)用。噪聲測(cè)量模塊，選用的是愛(ài)華AWA5636聲級(jí)計(jì)。愛(ài)華AWA5636型聲級(jí)計(jì)是一種數(shù)字化顯示、具有多種功能的聲級(jí)計(jì)。采用AWA14421型預(yù)極化測(cè)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(dòng)態(tài)范圍寬，可用于工業(yè)噪聲測(cè)量以及環(huán)境噪聲測(cè)量。

選用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集熱電阻輸出的信號(hào)。ADAM-4015是一個(gè)16位的A/D六通道熱電阻輸入模塊，其通過(guò)RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)點(diǎn)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(gè)十六位的A/D 八通道的模擬量輸入模塊，輸入的信號(hào)可以是電流信號(hào)也可以是電壓信號(hào)，支持八路差分信號(hào)，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(duì)于噪聲信號(hào)的測(cè)量，調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的信號(hào)會(huì)對(duì)聲級(jí)計(jì)的本底噪聲造成干擾，故設(shè)計(jì)了一個(gè)光耦隔離器，通過(guò)高速光耦講聲級(jí)計(jì)輸出的信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸，確保信號(hào)不會(huì)受到干擾。

3.2 GSM通訊模塊

警報(bào)信息的發(fā)送選用的GSM模塊是Siemens公司推出的TC35無(wú)線通信模塊，可高效迅速的將系統(tǒng)中設(shè)定的警報(bào)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(shí)所耗功率為2W；工作于1800MHz頻段時(shí)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(cè)功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

為了提高單片機(jī)處理時(shí)的速度與效率，程序采用了中斷分別用于警報(bào)和串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，介于單片機(jī)中斷優(yōu)先級(jí)只有高低兩級(jí)之分。警報(bào)信息響起后相關(guān)人員關(guān)閉警報(bào)所采取的辦法是通過(guò)按鈕使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)受到的信號(hào)處于讓單片機(jī)工作的范圍內(nèi)時(shí)，圣光警報(bào)響起以警示嬰兒培養(yǎng)箱的工作人員，若在GSM模塊延時(shí)工作的時(shí)間內(nèi)接收到復(fù)位信號(hào)，則取消警報(bào)。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有取消，則開(kāi)始通過(guò)GSM發(fā)送警報(bào)信息至提前設(shè)置好的聯(lián)系人；若溫度超過(guò)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(yǔ)

文章設(shè)計(jì)的一種嬰兒培養(yǎng)箱只能警報(bào)裝置是由氧分析測(cè)量模塊、濕度測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊以及噪聲測(cè)量模塊組成。同時(shí)，所采集到的信號(hào)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(hào)通過(guò)與單片機(jī)中設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，若采集到的參數(shù)在所設(shè)定的值內(nèi)，單片機(jī)控制聲光警報(bào)、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(shí)的智能警報(bào)，減少嬰兒所受到的傷害，及時(shí)挽救和保護(hù)嬰兒。

通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析以及測(cè)試試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該嬰兒培養(yǎng)箱想警報(bào)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(jiǎn)單且具有較高的測(cè)量精度及分辨率，且具有良好的人機(jī)交互功能。同時(shí)為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠度，系統(tǒng)在傳輸線的信號(hào)干擾設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了完善，避免檢測(cè)過(guò)程中信號(hào)干擾產(chǎn)生較大誤差。

參考文獻(xiàn)

[1]JJF1260-2010.嬰兒培養(yǎng)箱校準(zhǔn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2]GB11243-2008.嬰兒培養(yǎng)箱安全專用要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]辜衛(wèi)國(guó).基于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膵雰号囵B(yǎng)箱檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].工程與實(shí)驗(yàn)，2012，52（3）：64-65.

[4]王平均.智能嬰兒培養(yǎng)箱的檢測(cè)儀[J].上海計(jì)量測(cè)試，2013（5）：31-39.

作者簡(jiǎn)介：武磊（1991-），男，貴州畢節(jié)人，碩士研究生，主要從事機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)與控制研究。