婴儿保温箱实时监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种婴儿保温箱实时监控系统，属于医疗设备技术领域，包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据显示模块、电源模块和无线提醒器，数据采集模块用来检测保温箱内的温湿度，数据采集模块连接数据处理模块，数据处理模块连接数据存储模块和数据显示模块，电源模块连接数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据显示模块，无线提醒器无线连接数据处理模块，数据处理模块发出警报信号到无线提醒器，婴儿监护人员随身携带无线提醒器。本发明解决了保温箱发出警报吓到婴儿的问题，无线提醒器具有显示警报点、随身携带的优点，还设置了备用电源应对突然断电的情况，此外还提供了一种改进后的集成式传感器进行数据采集。
【专利说明】
婴儿保温箱实时监控系统
技术领域
[0001] 本发明属于医疗设备技术领域，涉及婴儿保温箱安全监控方向，具体涉及一种婴 儿保温箱实时监控系统。
【背景技术】
[0002] 近几年，医疗机构频发婴儿保温箱不良事件，如使用中温度失控、烤伤患儿等，甚 至引发严重医疗事故。保温箱温度失控也成为对新生儿的主要护理伤害之一。因此，对保温 箱温度的安全监控势在必行。
[0003] 经实践，现有的婴儿保温箱温度监测主要存在以下几点缺点：1、缺少温度采集数 据的核对，在温度传感器损坏或数据误差较大时，没有比较确认系统，这样极容易造成控制 系统失灵事故，危及婴儿的生命安全。2、温度监测电路简单、不可靠。温度监测电路与婴儿 保温箱其他电路使用同一电源，当保温箱电源出现故障时，温度监测电路不能工作，因而不 能提供温度监测数据和温度异常报警，保温箱内温度突变影响婴儿健康。3、大多数医院，尤 其是三乙以上规模较大的医院，婴儿监护室内同时有多个婴儿保温箱，而监护室的医护人 员的数量远低于国家重症监护室床护比要求的人数，所以工作人员需要不断的逐个观测、 记录每个婴儿保温箱温度监测数据，如此一来，将所有婴儿保温箱都观测记录一次需要耗 费比较长的时间，工作十分繁重，即使这样也不能满足实时监测每一个婴儿保温箱数据和 箱内婴儿状态的要求，而且父母不能及时了解婴儿的环境情况。综上前述，传统婴儿保温箱 温度监测存在温、湿度等独立监测、箱温监控断续复杂、手工记录易失误等诸多缺点，不能 保证温度监测数据的可靠性和实时性，所以迫切需要研发一个独立于婴儿保温箱控制电路 的新生儿、早产儿实时中央监测系统。
【发明内容】
[0004] 根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种婴儿保温箱实 时监控系统，通过在保温箱内设置多个检测点，对数据进行整体综合的分析，而且本发明中 为了减小对婴儿的刺激，使用了单独的无线提醒器，解决了保温箱发出警报吓到婴儿的问 题，无线提醒器具有显示警报点、随身携带的优点，而且本发明中还设置了备用电源应对突 然断电的情况，此外还提供了一种改进后的集成式传感器进行数据采集。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种婴儿保温箱实时监控系 统，所述实时监控系统包括数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据显示模块、电 源模块和无线提醒器，数据采集模块用来检测保温箱内的温湿度，数据采集模块连接数据 处理模块，数据处理模块连接数据存储模块和数据显示模块，电源模块连接数据采集模块、 数据处理模块、数据存储模块和数据显示模块，无线提醒器无线连接数据处理模块，数据处 理模块发出警报信号到无线提醒器，婴儿监护人员随身携带无线提醒器。
[0006] 上述系统中，所述数据采集模块包括温湿度采集单元和尿床采集单元，温湿度采 集单元包括多个集成式传感器，集成式传感器安装在保温箱的各个检测点，温湿度采集单 元连接数据处理模块，尿床采集单元中包括多个集成式传感器安装在婴儿保温箱的床铺 下。所述集成式传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单 元中设有两个半导体应变片Rel和R e2安装在半径为rQ的圆形膜片上，半导体应变片受压发生 变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导 体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的 输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号处理单 元连接数据处理模块。所述半导体检测单元中，一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个 半导体应变片安装在半径〇.89r〇的同心圆的位置上。所述圆形膜片根据半导体检测单元中 的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63H)的同心圆为 界。所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元利用温度值调用相应的 饱和水汽分压值。所述集成式传感器设置在圆柱形的杯形支座上，圆形膜片设置在杯形支 座的上表面，圆形膜片选用黄铜膜片，杯形支座和黄铜膜片之间设有空气密封腔，两个半导 体应变片安装在黄铜膜片的表面。
[0007] 所述数据处理模块包括处理单元、AD转换单元、数据分析单元和网口，处理单元的 输入端连接数据采集模块，处理单元的输出端连接AD转换单元，AD转换单元连接数据分析 单元，网口连接在数据处理模块的输出端上，通过网口无线连接手机。所述电源模块包括市 电、备用电源、安全电路、电量检测单元和自动充电单元，备用电源是储能电池，安全电路连 接数据处理模块，安全电路的输出端连接电量检测单元和自动充电单元，电量检测单元和 自动充电单元连接备用电源。所述无线提醒器包括信号传递单元、震动源、关闭按钮和显示 器，信号传递单元无线连接数据处理模块，信号传递单元的输出端连接振动源，关闭按钮连 接控制振动源，显示器连接信号传递单元。
[0008] 本发明有益效果是:本发明提供一种婴儿保温箱实时监控系统，系统中的数据采 集模块采用温湿度一体化传感器，合理安装在保温箱的各处，及时检测保温箱内各处的温 度，各个比较后再进行统一的温度数据处理，及时得出传感器的准确度并发现传感器的故 障，在传感器出现故障或不准确的时候及时发出警报提醒，提醒工作人员更换。本发明中还 设置了备用采集单元，系统在判断出传感器出现故障时，发出提醒的同时还会启动备用采 集单元进行温湿度数据采集，不影响保温箱内温湿度实时数据的测量。系统中的显示模块 是显示屏结构，但是本发明中的显示屏上处了显示实时温湿度数据，还会显示温湿度的曲 线波形图，监护人员一目了然，实时检测数据保存在数据库中，利用通信单元根据监护人的 指令发送实时数据到监护人。系统中设有无线提醒器，无线提醒器无线连接保温箱内的处 理模块，监护人员随身携带，在接收到数据处理模块的提醒信息后，振动提醒监护人员及时 查看。
【附图说明】
[0009] 下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
[0010] 图1是本发明的【具体实施方式】的婴儿保温箱实时监控系统的工作原理框图。
[0011] 图2是本发明的【具体实施方式】的数据处理模块的工作原理框图。
[0012] 图3是本发明的【具体实施方式】的电源模块的工作原理框图。
[0013] 图4是本发明的【具体实施方式】的传感器中应变片的安装示意图。
[0014] 图5是本发明的【具体实施方式】的传感器的结构示意图。
[0015] 图6是本发明的【具体实施方式】的应变片的应变分布图。
[0016] 图7是本发明的【具体实施方式】的传感器工作原理结构框图。
[0017] 图8是本发明的【具体实施方式】的传感器的信号流程框图。
[0018] 图9是本发明的【具体实施方式】的脉宽信号转换电路图。
[0019] 图中1为杯形支座，2为空气密封腔，3为圆形膜片，4为半导体应变片Rel，5为半导体 应变片―。
【具体实施方式】
[0020] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0021] -种婴儿保温箱实时监控系统，所述实时监控系统包括数据采集模块、数据处理 模块、数据存储模块、数据显示模块、电源模块和无线提醒器，数据采集模块用来检测保温 箱内的温湿度，数据采集模块连接数据处理模块，数据处理模块连接数据存储模块和数据 显示模块，电源模块连接数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据显示模块，无 线提醒器无线连接数据处理模块，数据处理模块发出警报信号到无线提醒器，婴儿监护人 员随身携带无线提醒器。
[0022] 上述系统中，所述数据采集模块包括温湿度采集单元和尿床采集单元，温湿度采 集单元包括多个集成式传感器，集成式传感器安装在保温箱的各个检测点，温湿度采集单 元连接数据处理模块，尿床采集单元中包括多个集成式传感器安装在婴儿保温箱的床铺 下。所述集成式传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单 元中设有两个半导体应变片R el和Re2安装在半径为rQ的圆形膜片上，半导体应变片受压发生 变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导 体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的 输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号处理单 元连接数据处理模块。所述半导体检测单元中，一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个 半导体应变片安装在半径〇.89r〇的同心圆的位置上。所述圆形膜片根据半导体检测单元中 的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63H)的同心圆为 界。所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元利用温度值调用相应的 饱和水汽分压值。所述集成式传感器设置在圆柱形的杯形支座上，圆形膜片设置在杯形支 座的上表面，圆形膜片选用黄铜膜片，杯形支座和黄铜膜片之间设有空气密封腔，两个半导 体应变片安装在黄铜膜片的表面。
[0023] 所述数据处理模块包括处理单元、AD转换单元、数据分析单元和网口，处理单元的 输入端连接数据采集模块，处理单元的输出端连接AD转换单元，AD转换单元连接数据分析 单元，网口连接在数据处理模块的输出端上，通过网口无线连接手机。所述电源模块包括市 电、备用电源、安全电路、电量检测单元和自动充电单元，备用电源是储能电池，安全电路连 接数据处理模块，安全电路的输出端连接电量检测单元和自动充电单元，电量检测单元和 自动充电单元连接备用电源。所述无线提醒器包括信号传递单元、震动源、关闭按钮和显示 器，信号传递单元无线连接数据处理模块，信号传递单元的输出端连接振动源，关闭按钮连 接控制振动源，显示器连接信号传递单元。
[0024] 如图1所示，婴儿保温箱实时监控系统包括数据采集模块、数据处理模块、数据存 储模块、数据显示模块、电源模块和无线提醒器，实时监控系统中除了无线提醒器都安装在 婴儿的保温箱上，无线提醒器需要监护人员随身携带，数据采集模块安装在婴儿保温箱上， 用来实时检测保温箱内的各个检测点的温湿度数据，数据采集模块连接数据处理模块，将 检测到的数据发送到数据处理模块，数据处理模块连接数据存储模块和数据显示模块，将 接收的数据和输出的数据趋势图都保存到数据存储模块中，数据趋势图都通过数据显示模 块的显示屏显示出来，电源模块连接监控系统，为监控系统提供电能支持。数据处理模块中 会判断保温箱内的检测数据是否在设定的阈值范围内，如果温湿度过高或过低则说明不再 范围内，发出警报信号到无线提醒器，无线提醒器发出振动提醒监护人员及时查看相应的 婴儿保温箱并在听到振动提醒后积极关闭提醒器，减小对婴儿稳定环境的刺激。
[0025] 数据采集模块安装在每个婴儿保温箱内，数据采集模块内设有数据标记单元，数 据标记单元连接数据处理模块，数据标记单元内存储有每个婴儿保温箱的号码位置信息， 数据采集模块内的采集数据和数据标记单元的标记信号一起发送到数据处理模块，从而方 便数据处理模块判断区分数据来源，以及在接收到警报信号的时候，方便发出标记信息，从 而监护人员可以直观的了解到警报位置，不需要一个个的查找。
[0026] 数据采集模块包括温湿度采集单元和尿床采集单元，温湿度采集单元中包括多个 集成式传感器，安装在保温箱的各个检测点，实时检测保温箱内各点的温湿度，温湿度采集 单元连接数据处理模块，将采集到的保温箱内的温湿度发送到数据处理模块，数据处理模 块内设有最佳温湿度阈值，用来时刻对比判断保温箱内的温度，并在检测到异常温湿度数 值时，异常检测数据高于或低于阈值，数据处理模块都会标记出发出警报提醒信号到无线 提醒器。数据处理模块还会判断传感器是否发生故障，因为温湿度采集单元的数据都会发 送到数据处理模块，数据处理模块会根据接收到的温湿度数据绘制温湿度趋势图。
[0027]数据处理模块中设有数据异常单元，数据异常单元连接数据处理模块，对每个传 感器的异常数据进行数据统计，每个传感器都设置有标号用来区分传感器的检测位置，数 据异常单元根据传感器的标号划分统计每个传感器的异常次数，在监护人员过来查看并实 际检测异常警报点的温湿度后，在数据显示模块上输入确认结果。如果温湿度采集单元的 实时数据和监护人员查看的不一致，监护人员可以通过数据显示模块上的输入键输入确认 结果，否定温湿度采集单元的检测结果，数据处理模块发出异常警报点传感器故障提醒，及 时更换异常警报点的传感器。如果数据异常单元在统计出同一个传感器的异常次数明显大 于其他传感器的异常数量，数据异常单元确认传感器出现故障需要检修，发出检修提醒到 数据处理模块，数据处理模块发出检修提醒警报到无线提醒器。在传感器出现的时候，保温 箱内的温湿度需要继续检测，不可中断，影响保温箱内的数据监测，所以本发明中在数据采 集模块中设置了备用采集单元，备用采集单元同样连接在数据处理模块上，备用采集单元 和数据采集单元是相同的，但是备用采集单元是受数据处理模块控制的，在数据处理模块 发出传感器检修警报的同时，开启备用采集单元中的异常位置处的传感器，备用采集单元 中的传感器是分开工作的，即数据处理模块只需要开启代替故障点的传感器，备用采集单 元中的传感器数量、安装位置和温湿度采集单元的相同。
[0028]数据采集模块中的尿床采集单元中设有用来测量温度湿度的集成式传感器，集成 式传感器安装在婴儿尿布的下方，实时检测婴儿尿布的潮湿状态，也可以直接选用湿度传 感器安装在婴儿尿布的下方，都能够实现检测婴儿尿床的目的。尿床采集单元连接在数据 处理模块上，输送检测的湿度信号发送到数据处理模块，由数据处理模块内设置的尿布湿 度阈值进行数据比较，在检测值大于尿布湿度阈值的时候发出尿床警报提醒到无线提醒 器。监护人员随身携带无线提醒器，在无线提醒器震动时及时查看无线提醒器，及时关闭提 醒器，避免持续震动，减少对婴幼儿的外界刺激，本发明中的警报信号不会在保温箱上响 起，尽量减少对婴幼儿的刺激，本发明中的警报信号是由无线提醒器发出震动，无线提醒器 由监护工作人员随身携带。
[0029]无线提醒器内设有信号传递单元、震动源、关闭按钮和显示器，信号传递单元无线 连接数据处理模块，接收数据处理模块的警报信号，信号传递单元的输出端连接振动源，关 闭按钮连接控制振动源的关闭，显示器连接信号传递单元，在信号传递单元接收到数据处 理模块的警报信息后，振动源开始震动，显示器显示警报信号及警报位置，监护工作人员可 以通过关闭按钮关闭振动源的振动，去护理室及时查看及时关闭振动警报提醒，取代传统 的声光警报，减小对婴儿的刺激及噪声影响。
[0030] 婴儿保温箱分为密闭和不密闭的情况，保温箱内都设有通风口，但是通风口也不 能确保是一直正常通风，所以本发明在数据采集模块中设置了气压检测单元，气压检测单 元用来检测保温箱内的气压大小，连接在数据处理模块上，用来确定保温箱内的空气流通， 利于婴儿成才发育。如果不设置独立的气压检测单元也是可行，本发明中使用的集成式传 感器进行了结构改进，检测温度、湿度的同时也能够检测气压值。
[0031] 如图2所示，数据处理模块中设有处理单元、AD转换单元、数据分析单元、接口和网 口，数据采集模块的采集数据通过处理单元进行初步处理后，由AD转换单元发送到数据分 析单元进行温湿度数据采集数据的阈值比较判断，如高于或低于安全阈值则及时发出警报 信号到无线提醒器，同时经过数据异常单元统计传感器的各个数据，判断传感器是否正常。 数据处理模块的输出端上连接了可扩展接口和网口，可以进行功能扩展和联网设置，通过 网口连接设置的通信单元，通信单元连接在数据处理模块和婴儿父母手机之间。因为婴儿 保温箱处于无菌房中，医院为了方便管理和各个方面的考虑，父母的探访时间很短暂，父母 缺少对婴儿环境的了解。所以本发明中增设了通信单元用来连接婴儿父母手机，构造一个 信号通信线路，父母想要了解婴儿所处环境的信息时，可以发送请求信号到通信单元，通信 单元发送请求信号到数据处理模块，数据处理模块发送实时数据采集信息到父母手机上。 如果父母想要随时查看婴儿，也可以在保温箱上安装一个摄像头，抓拍照片，但是摄像头不 能设置闪光补光功能，防止光线变化刺激婴儿，影响婴儿发育，抓拍的照片保存到数据存储 模块中，根据请求信号以彩信方式发送到父母手机中。数据异常单元连接在数据分析单元， 直接对数据进行异常统计。
[0032]数据处理模块的输出连接有数据存储模块、数据显示模块和电源模块，数据存储 模块用来存储数据采集模块的实时检测数据，数据处理模块根据数据存储模块的历史数据 绘制温湿度变化趋势图，显示在数据显示模块上，代替了传统的仅是显示实时温湿度的弊 端，监护工作人员根据趋势图，可以设置温湿度及时随时看到异常点，保温箱内的温度和湿 度都是人工输入设定的，所以数据显示模块中需要设置输入键盘，通过输入键盘输入指令、 阈值或各种设定值。
[0033] 保温箱的加热、温度保持、系统检测工作都需要电源支持，通常保温箱实时监控系 统连接市电，但是为了保证在突然断电的情况下保温箱能够正常工作，本发明中增设了备 用电源来保证保温箱的持续工作。电源模块连接系统为系统供电，如图3所示，电源模块包 括市电，但电源模块还包括备用电源和安全电路，备用电源是储能电池，提前存储电能以备 不时之需，安全电路连接数据处理模块，用来实时检测数据处理模块是否工作，如果检测到 数据处理模块断电停止工作，则马上开启备用电源，在一定时间内保证保温箱的正常工作， 包括保温箱的日常检测、加热、警报、模拟系统的工作，减少环境的突变造成婴儿的恐慌事 故。电源模块中还设置了电量检测单元和自动充电单元，电量检测单元和自动充电单元连 接受控于安全电路，电量检测单元连接在备用电源上，用来检测备用电源的电量，实时监测 备用电源的电量状态，电量检测单元和备用电源一起工作，在备用电源开始的时候，电量检 测单元才开始进入工作状态，电量检测单元检测备用电源的实时电量状态，市电恢复备用 电源停止工作，此时，自动充电单元开始工作，为备用电源充电，在电量检测单元检测到电 量充满的时候，关闭备用电源，备用电源处于待用状态。
[0034] 此外，本发明中为了增大数据采集的准确性，提供了一种改进后的传感器，本发明 提供的集成式传感器用来检测温度和湿度数据，该传感器利用大气中水蒸气分压力与敏感 电阻之差，即经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差，成正比。而大气环境温度则 与敏感元件的计数之和呈单值对应函数关系。在转换量程范围内均有充分而必要的分辨 力。传统的湿敏元件在对水汽的吸附和解析过程中时滞较长，故动态特性不好，而本装置中 的弹性元件和应变片则对输入信号响应较快。
[0035] 一、大气状态参数
[0036]道尔顿定律指出，混合大气的总压力等于各组成气体的分压力之和，如公式（1)所 示：
[0037] PM=Pd+Pw(Pa) (1)
[0038]式中PM(Pa)为混合气体的总压力，Pd(Pa)为干燥大气的分压力，Pw(Pa)为空气中所 含水蒸气分压力，其中Pw在Pm占最大份额，仅为5 %左右，故Pm和Pd压力均比较接近标准大气 压。
[0039] 相对湿度中CRH%)的公式为：q>二'/p * 100% (2)
[0040] 式中中表示相对湿度，Pws为大气压在某一温度下，饱和水汽分压力(Pa)，它随温度 而变，可通过已知温度查表或由回归拟合曲线方程求得。由公式（1)可得，若通过仪表能测 出差压P M-Pd，即可计算出Pw，再以所测温度，在湿空气密度、水蒸气压力、含湿量对照表中找 到Pws，便可由公式(2)算出相对湿度屮（RH%)。
[0041] 二、应变片及其转换特性
[0042] 传感器中应变片的安装示意图如图4所示，传感器的结构示意图如图5所示，应变 片的转换特性及应变分布如图6所示。集成式传感器整体是一个圆柱外形外壳，外壳包括杯 形支座1和黄铜膜片3,黄铜膜片3覆盖在杯形支座1上，二者之间形成一个空气密封腔3,两 个半导体应变片安装在黄铜膜片3上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出集成式传 感器(简称集成传感器)安装环境中的温度、相对湿度和大气压数据。分析计算温度、相对湿 度和大气压所需的二次转换单元、信号处理单元可以安装在黄铜膜片上3上，也可以安装在 杯形支座的侧边，通过线路连接传递信号。
[0043] 混合大气压PM均匀作用于弹性膜片的外表面，于是膜片两侧的差压为：
[0044] A p = pM-pre = pw+pd-pre(pa) (3)
[0045] 式中Pre = 4 ? 104(Pa)为密封腔中设定的参照压力，Pd=101325(Pa)为标准大气 压，从而可算出大气中水汽分压力Pw(Pa)
[0046] 在差压AP作用下，膜片表面上应力和应变的分布如下式所示：
[0047] 径向应力：
[0048] 径向应变：
[0049] 式中，本发明中选用黄铜膜片弹性更好，E (Pa)为膜片弹性模量，约为7*101()Pa，y约 为0.33,为泊松比，r〇为圆形膜片3的外半径40(mm)，h为圆形膜片3的膜片厚度0. l(mm)，b为 杯形支座的厚度5(mm)，杯形支座的高度10(mm)，A P作用在膜片两侧的差压(Pa)，r(mm)为 观察点的半径。
[0050] 若将已知常数代入(4)式，可得圆心应力〇r=o = 8*104* AP(Pa) (6)
[0051]应变片的灵敏系数KE和转换特性如公式(7)所示：
[0053] 式中R〇为t = 0°C和er = 0时应变片电阻（Q )，Ke约为125, ARe则为应变片在er激励 下电阻的变化量（Q )，将(6)式代入(7)可得：
[0055]若将E = 7*101()Pa代入式可知，应变片所能输出的相对电阻变化，在最大量程下也 只有1(T2量级，故需在装置中加入二次变换和信号处理电路，以获取所需的灵敏度和分辨 力。
[0056]三、二次变换和信号传送流程
[0057]工作原理结构框图如图7所示，集成传感器包括半导体检测单元、二次转换单元、 信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片，半导体应变片受压电阻发生变 化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体 检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输 出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号处理单元 连接数据处理模块，数据处理模块接收信号处理单元计算出的安装点的温度、相对湿度和 大气压。
[0058]信号流程框图如图8所示，二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，脉冲 信号转换电路由555定时器C1和C2组成，二次转换单元和信号处理单元还设有选通开关，选 用C3开关，信号处理单元主要组成为C4单片机。图8中R el和Re2在Pw和t激励下，各自产生不同 的办和办响应，它们经两个相同的脉冲信号转换电路的Cl、C2芯片555变换后，各自产生^和 t2(S)脉宽输出，该脉宽信号经C3开关选通后再送至C4单片机进行信号处理。脉冲信号转换 电路如图9所示，电阻R连接在C定时器555的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时 器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输 出脉宽信号连接到信号处理单元。由于应变片的不同，两个脉冲电路中的电阻和输出脉宽 可以用Rl和R2、Tl和T2表示。
[0059] 脉宽转换公式:T = ln2 ? C ? R(S)对应到两个脉冲信号转换电路即为：
[0060] n = ln2 ? Co ? Ri(S) (9)
[0061] i2 = ln2 ? Co ? R2(S) (10)
[0062] 式中为两个半导体应变片对应的两路脉宽输出信号，RjPR2为半导体应变 片的电阻变化值计量单位为Q，Co(F)为云母标准电容，约为0.72 X 1(T6F，上式表明脉宽输 出与各自所接电阻Ri和R2成正比。
[0063] 四、在多因素输入时，合成响应的解耦处理
[0064]在^和^中隐含有水汽分压Pw和温度t两种信息，如何能让其在后续的数据处理中 分离，需通过数据解耦技术来实现信息分离和复原。
[0065]办和1?2电阻变化公式为：
[0068] 式中R〇=100〇n为基准电阻;B = 4850(K)为半导体应变片的阻温系数;To = 273(K) 为参照温度;T(K)为输入温度；A 1?￡1和A R￡2分别为Ri和R2在大气压力激励下各自产生的电 阻增量。由以上两式可知，如能让A ―和A化数值相同，但正负相反，即（11)和（⑵式可变 成：
[0071]将以上两式相减或相加，就可分离出Pw和t两种输入信息，即相加时Rl+R2 = ft(T)， 和相减时Rl-R2 = fE(Pw)，即和与差的结果只与单一输入信息--对应，ARe1 = -ARe2= A Re 〇
[0072]参见图5,整个膜片外表面在差压A P作用下，以半径r = 〇.63rQ为界，区分为正负 两个应变区。靠圆心部分内圆为正e区，而靠周边外圆部分则为负e区，在此两个区域的合适 位置上，可以找到e数值相等但极性相反的两个点，其一在圆心处，n = 0,而另一点经(5)式 计算为r2 = 0.89rQ处。在此两点上配置两片性能相同的半导体应变片，并让其中心与膜片上 参照点重合，于是就实现了（13)和（14)式的定量关系。
[0073] 将（13)式加（14)式得
[0074]上式中已消除了 e信息对(Ri+R2)数量上的干扰，然而RdPR2分别联接到555芯片的 充放电电路中，故已无法将RdPR2直接相加，此时就需经过数据运算处理来实现。若让脉宽 ^和^在单片机中对时钟频率f 〇计数，则有计数值见和他为：
[0075] Ni = ii ? fo (16)
[0076] N2 = T2 ? fo (17)
[0077] n+T2=(Ni+N2)/fo(S) (18)
[0078] 联立以上公式，并经过整理可得：
[0080]摄氏温度：t = T-273(°C) (20)
[0081 ] 式中各常系数是在Ro = 100〇Q，Co = 7.2*10-6F和fo = 10MHZ条件下算出的。从心和 R2的二次转换信息中分尚出应变和水蒸气分压Pw等信息，将（13)式减去（14)式，可得 [0082] Rl-R2 = 2 ARe = 2RoKe ? e( Q ) (21)
[0083] 再利用m = (Nrfc)/fo和(5)、（9)、（ 10)式等联立，经整理可得，
[0084] AP = l〇 ? (Ni-N2)(Pa) (22)
[0085] 公式（19)和(22)即为传感器的两种输入-输出特性方程，均有足够的灵敏度和分 辨力。已知cp ( RH% )，式中Pws可通过温度t经查表或下述回归方程算出，
[0086] Pws = a ? EXP(b ? t)(Pa) (23)
[0087] 式中a为6.16(Pa)，b为0.064(1/°C)为拟合常数，于是得
[0088] PWS = 6.16 ? EXP(0.064 ? t)(Pa) (24)
[0089] 大气压力不是一个定值，随着地区海拔高度的不同而存在差异，同时还随季节温 度变化而稍有改变，对Pw计算可近似地用下式描述：
[0090] PW= AP+Pre-Bf(T)+h ? 8.76(Pa) (25)
[0091] 式中h为当地海拔高度(m)，系数8.76(Pa/m)为大气压衰减斜率，f(T)为温度修正 系数可经过实验测量数据的拟合曲线而加以估算。由于在沿海地区冬夏气压变化比为 1.02,而在青海地区冬夏比仅为1.0026。均随温度下降而略有增加。故当不考虑温度微小影 响，且在沿海地区时，（25)式可简化为：
[0092] PW= A P+(Pre-B) = 10(Ni-N2) + (Pre-B) (Pa) (26)
[0093]本文解析过程的理论基础之一是标准大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高 度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，公式(3)中Pd应通过软件予以校 正，以维持水汽分压力的数据转换精度。所以本发明在信号处理单元中设有GPS单元和大气 压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经炜度，查询安装点的 大气压数值即传感器中的干燥空气腔内的分压力，结合信号处理单元计算出的大气中水蒸 气分压力值，进而利用公式（l):PM = Pd+Pw(Pa)计算出混合大气的压力值，即安装点的压力 值。
[0094] 至此，温度、相对湿度和大气压的数值都能计算求解出来。本发明提供的集成式传 感器具有结构简单、易于实施。本发明中经解析法得到:大气中水蒸气分压力与敏感电阻之 差，即经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差，成正比，而大气环境温度则与敏感 元件的计数之和的对数成反比关系。本文解析过程的理论基础是物理大气压为常数，实际 的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，应通过 软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。
[0095] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述实时监控系统包括数据采集模块、 数据处理模块、数据存储模块、数据显示模块、电源模块和无线提醒器，数据采集模块用来 检测保温箱内的温湿度，数据采集模块连接数据处理模块，数据处理模块连接数据存储模 块和数据显示模块，电源模块连接数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块和数据显示 模块，无线提醒器无线连接数据处理模块，数据处理模块发出警报信号到无线提醒器，婴儿 监护人员随身携带无线提醒器。2. 根据权利要求1所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述数据采集模块包 括温湿度采集单元和尿床采集单元，温湿度采集单元包括多个集成式传感器，集成式传感 器安装在保温箱的各个检测点，温湿度采集单元连接数据处理模块，尿床采集单元中包括 多个集成式传感器安装在婴儿保温箱的床铺下。3. 根据权利要求2所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述集成式传感器包 括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应 变片Ru(4)和fc 2(5)安装在半径为r〇的圆形膜片上，半导体应变片受压发生变化输出电阻响 应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体检测单元的输 出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输出端连接信号 处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号处理单元连接数据处理 模块。4. 根据权利要求3所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述半导体检测单元 中，一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径〇 . 89r〇的同心圆 的位置上。5. 根据权利要求3所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述圆形膜片根据半 导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径 0.63r〇的同心圆为界。6. 根据权利要求3所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述信号处理单元中 设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元利用温度值调用相应的饱和水汽分压值。7. 根据权利要求3所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述集成式传感器设 置在圆柱形的杯形支座（1)上，圆形膜片（3)设置在杯形支座（1)的上表面，圆形膜片（3)选 用黄铜膜片，杯形支座（1)和黄铜膜片之间设有空气密封腔(2)，两个半导体应变片(4和5) 安装在黄铜膜片的表面。8. 根据权利要求1所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述数据处理模块包 括处理单元、AD转换单元、数据分析单元和网口，处理单元的输入端连接数据采集模块，处 理单元的输出端连接AD转换单元，AD转换单元连接数据分析单元，网口连接在数据处理模 块的输出端上，通过网口无线连接手机。9. 根据权利要求1所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述电源模块包括市 电、备用电源、安全电路、电量检测单元和自动充电单元，备用电源是储能电池，安全电路连 接数据处理模块，安全电路的输出端连接电量检测单元和自动充电单元，电量检测单元和 自动充电单元连接备用电源。10. 根据权利要求1所述的婴儿保温箱实时监控系统，其特征在于，所述无线提醒器包 括信号传递单元、震动源、关闭按钮和显示器，信号传递单元无线连接数据处理模块，信号 传递单元的输出端连接振动源，关闭按钮连接控制振动源，显示器连接信号传递单元。
【文档编号】A61G11/00GK105853111SQ201610169530
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】陈明珠, 王慧娟
【申请人】安徽工程大学