基于ZigBee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统的制作方法

本申请涉及医疗系统领域，尤其涉及一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统。
背景技术：
：每年我国有将近45万新生儿因疾病、窒息、脑损伤、感染、先天发育不良等原因而导致死亡。据调查5岁以下死亡儿童中，婴儿死亡占80％以上，其中新生儿死亡占到婴儿死亡人数的三分之二。育婴箱是早产儿接受治疗和护理的特殊场所，然而，箱体内环境失控而引起医疗不良事件的报道较为常见，如烫伤、冻坏、群体感染等。育婴箱能够给新生儿提供一个恒温有氧类似于胎盘作用的人工屏障，育婴箱投入使用对于改善早产婴儿生活质量甚至提高早产婴儿的存活几率起着非常重要的作用，但同时使用育婴箱也伴有一定的风险。从2002年起到2011年10月份为止，国家药品不良反应检测中心一共收到关于育婴箱的由于温度失控发生事故共计167起，医务人员操作不当4起等。通过调查发现育婴箱不良事件发生的根本原因主要是：育婴箱的温控器失灵，温控状况异常，无法达到预设温度或者温度高于预设；医务人员未能及时发现育婴箱箱内的温度超限情况，导致箱内温度过高或者过低；育婴箱使用时间长发生老化现象、没有对老旧育婴箱进行过及时的维护和更新；育婴箱内湿度大而导致温度快速增高，不适宜早产儿的生存；育婴箱电路发生故障没有被及时发现等。且当前育婴箱只能进行单点温湿度监测而存在的监测数据不完备、不准确、不可靠。技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是,提出一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统；本申请可获取包含箱内温度、湿度、光照强度等环境数据及婴儿振动、啼哭等状态数据，并在客户端直观地显示多个育婴箱及各箱内婴儿的情况，具有对出现异常情况迅速告警，以及对历史监测数据的存储和统计等功能。本申请不仅可有效保护育婴箱内婴儿的安全，而且大大减轻值班护士的护理工作量，提高医院对婴儿护理的管理水平，也为相关医学研究提供丰富的监测数据。(二)技术方案本申请提供了一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，包括：终端采集单元、无线传输单元以及数据监测平台；所述无线传输单元将终端采集单元采集的信号传输至数据监测平台；所述终端采集单元包括数据核心处理器、采集模块和zigbee模块，所述数据核心处理器控制采集模块进行采集数据，并通过zigbee模块经zigbee网络将采集数据上传；所述采集模块包括温湿度传感器、声音传感器、光照传感器以及红外感应传感器；所述无线传输单元包括数据核心处理器、zigbee模块和以太网模块，所述数据核心处理器控制所述zigbee模块从zigbee网络获取采集终端上传的采集数据，并将采集数据由以太网模块经局域网送至服务器；每个无线传输单元建立采集终端到服务器的一个数据传输通道；所述数据监测平台包括客户端数据处理单元和以及与所述数据处理单元线性连接的报警器控制端。在本申请的一些实施例中，所述终端采集单元中设有婴儿哭声识别算法分析功能；所述婴儿哭声识别算法分析功能采用婴儿哭声信号模型，其中增益为g的信号t(n)在经过h(z)产生输出信号，即婴儿哭声信号x(n)，声道参数即是线性预测系数，其中，h(z)为全极点模型的表达式为(1)式所示：在(1)式中，模型参数分别为：系数ai、增益常数g、以及模型阶数p。由(2)式得，f(z)由ai决定，采用最小均方误差准则，可求得ai；短时预测均方误差为e(n)，其表达式为(3)式所示：en在每一帧声音信号的范围内进行，当时，en可取到最小值，其中，k＝1,2,…p，即：因此，可以得到线性方程组：φ(k,i)∑nx(n-k)x(n-i)其中，k＝1,2,…p，如果定义其中，k＝1,2,…p；i＝0,1,2,…p，则(5)式可用(6)式表示：当k＝1,2,…p时，对应的有p个线性方程组，解出方程组就可以求得p个线性预测系数的估计值在本申请的一些实施例中，所述数据核心处理器采用stm32核心板，所述stm32核心板设计流程为：step1：系统硬件功能的初始化；step2：数据采集，当数据超出设定的域值，数据采集信号传输至报警器控制端，报警器控制端会发出报警信号；step3：所述step2中的数据采集信号后，会持续通过串口发送给zigbee模块。在本申请的一些实施例中，所述zigbee模块包括zigbee终端模块以及zigbee协调模块。在本申请的一些实施例中，所述zigbee终端模块的工作流程为：step1：将协议栈初始化并加入到一个协调器组建的zigbee网络中；step2：zigbee模块的所有功能进入待机状态；step3：串口接收数据时通过触发事件处理函数解码，触发串口中断，zigbee终端模块被唤醒；step4：当符合编码格式时，zigbee终端模块组播发送信息至zigbee协调模块；step5：当zigbee协调模块接收到组播信息后会进行报警。在本申请的一些实施例中，一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，还包括控制端管理软件。在本申请的一些实施例中，所述控制端管理软件的运行步骤为：(1)控制端运行之后，进入用户登陆界面，输入正确的用户名和密码才能进入主界面，登陆信息会被存入数据库中；(2)主界面中会显示各育婴箱的状态信息，同时所有的数据会存储在数据库中；(3)进入每个育婴箱单元可以查看各个育婴箱的信息；(4)当有参数出现异常时，主界面和对应的育婴箱会出现报警提示。在本申请的一些实施例中，所述步骤(2)中育婴箱的状态信息包括正常使用、出现异常、未被使用。在本申请的一些实施例中，所述步骤(3)中育婴箱的信息包括各种环境参数，温湿度、光强、声音的数据信息。在本申请的一些实施例中，所述温湿度传感器的型号为dht12型号。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本申请至少具有以下有益效果其中之一：(1)本申请提供的基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，系统以arm芯片为终端核心处理器，采集多台育婴箱内多点温湿度、光照强度、振动强度及音频等参数信息，然后对数据进行分析筛选和算法识别，得到有效的箱内环境参数及婴儿状态信息，再进行编码，通过zigbee无线网络传输给客户端；控制端后台会对数据流进行解码，然后在界面上实时动态显示各项参数信息；同时历史数据会被存储在数据库中，可以实现回溯展示历史监测数据并批量导出的功能；若出现温湿度超限、婴儿啼哭、传感器故障、网络故障等异常情况，系统会及时在客户端和终端报警。本申请极大程度上减轻了值班护士的护理工作量，提高医院对婴儿护理的管理水平，还可以为相关医学研究提供大量的监测统计数据。(2)本申请提供的基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，多点采集信号，可以实现全面监测育婴箱的环境信息。(3)本申请提供的基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，采集育婴箱的多点温度和湿度，声音，光强等环境信息及婴儿状态，实现监测参数的多样化。(4)本申请提供的基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，针对缺少监控平台，还设有监测管理软件，易于操作，实时性强且采集数据可存储在数据库中方便及时查看和统计分析。(5)本申请提供的基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，改进了传统zigbee通信传输方式，提高了系统采集的稳定性和准确性。附图说明图1为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统的硬件系统。图2为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中stm32电路原理图。图3为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中dht12数字温湿度传感器电路图。图4为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中声音传感器电路图。图5为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中光照传感器电路图。图6为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中振动传感器电路图。图7为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中红外传感器电路图。图8为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中zigbee电路图。图9为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中婴儿哭声信号模型图。图10为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中stm32功能板设计流程图。图11为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中zigbee终端模块流程图。图12为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中zigbee协调模块流程图。图13为本申请基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统中控制端管理流程图。具体实施方式本申请提供了一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，极大程度上减轻了值班护士的护理工作量，提高医院对婴儿护理的管理水平，还可以为相关医学研究提供大量的监测统计数据。为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细描述：具体实施例1：如图1-13所示，本申请提供了一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，包括：终端采集单元、无线传输单元以及数据监测平台；所述无线传输单元将终端采集单元采集的信号传输至数据监测平台；其主要是终端采集单元通过多传感器实时获取育婴箱内的温湿度、光照强度、振动情况、音频信息，通信网关模块使用zigbee模块无线接收采集到的数据，其中zigbee模块为zigbee模块接收模块，并发送至数据监测平台，从而在数据监测平台进行实时显示和报警功能；无线传输单元包括无线数据发送单元和无线数据接收单元，终端采集单元设于育婴箱内，即育婴箱采集的信号通过无线数据发送单元和无线数据接收单元将信号传送至数据监测平台；所述终端采集单元包括数据核心处理器、采集模块和zigbee模块，其中zigbee模块为zigbee发送模块，zigbee发送模块通过接收zigbee接收模块接收数据核心处理器控制采集模块进行采集数据，并通过zigbee模块经zigbee网络将采集数据上传；数据核心处理器以stm32f407zgt6作为mcu，我们所需用到该芯片的资源包括：集成的fpu和dsp指令，sram、flash、32位定时器、dma控制器(共16个通道)、i2c、串口、12位adc、rtc、fsmc接口、以及部分通用io口等。图2为核心板的基本功能电路原理图，图中包括晶振电路，用来产生系统时钟；滤波电路，用来减少电路中的纹波干扰；系统时钟供电电路，电源断开时，为系统时钟提供电源；将所有的功能电路集成在一块是板子上，有助于系统的搭建。所述数据核心处理器控制采集模块进行采集数据，并通过zigbee模块经zigbee网络将采集数据上传；所述采集模块包括温湿度传感器、声音传感器、光照传感器以及红外感应传感器，共同作用完成数据采集工作；本申请使用4个dht12数字温湿度传感器测量多点的温度和湿度。dht12数字温湿度传感器包括一个电阻式测湿元件和一个ntc测温元件，通过核心处理器简单的电路连接就能够实时的采集育婴箱内的湿度和温度，如图3所示，4个温湿度传感器分别与处理器的pe2、pe3、pe4、pe5引脚相连，其温湿度传感器的指标如下表：参数指标工作电压范围3.5v-5.5v工作电流平均0.5ma湿度测量范围20－90％rh温度测量范围0－50℃湿度分辨率1％rh8位温度分辨率1℃8位数字温湿度传感器性能指标本实施例中，温度分别为：0℃、10℃、20℃、50℃；对应的湿度分别为90％rh、70％rh、50％rh以及20％rh，测量箱内不同高度的温度和湿度，可以实现全面监测育婴箱的温度和湿度信息。其中，采集模块以arm处理器为核心，使用温湿度传感器从育婴箱中获取多点的温湿度数据，使用光照传感器获取环境光照强度，使用振动传感器和音频传感器来综合判定婴儿状态，再通过zigbee模块无线送出；通信网关模块使用zigbee模块接收到采集模块无线发送来的数据，经过处理后，最终传输给客户端。如图4所示，本申请设有声音传感器，用于监测育婴箱内外环境的声音强度，此传感器可以识别声音信号的强弱特征，此声音模块对环境声音强度最敏感，输出模拟信号。本申请在育婴箱内外各放置了一个声音传感器，检测内外声音强度并进行统计分析，并通过算法识别是否为婴儿啼哭。此时sound1与sound2的3号引脚分别与处理器的pa5和pa6引脚相连。图5为光照传感器电路图，light2中的3号引脚与处理器的pa4引脚相连。为了让婴儿获得最舒适的生活环境，育婴箱需对光照强度进行实时监测，当光照超过设定的限值，系统会报警提示。本实施例中光照传感器采用temt6000型号传感器，此传感器感应器高，灵敏度为570nm，其具有±60°的较宽半灵敏度角度。尽管该器件对环境光非常敏感，但它可抑制红外线(ir)光谱，从而可提供类似“人眼”的更高可见光谱响应性。图6为振动传感器电路图，在育婴箱中，振动传感器放置于婴儿的床下，用于检测婴儿是否一直处于活动状态。此项参数与声音传感器结合，共同判定婴儿处于睡眠、清醒或是啼哭的状态。本实施例中振动传感器采用801s型号传感器，vibra1的2号引脚与处理器的pc8引脚相连。该传感器具有ttl电平信号输出指示，单信号输出，灵敏度可调，振动侦测范围宽等特点。图7为红外感应传感器电路图，本申请在育婴箱外安装人体红外感应传感器，当医护人员走近时，可以控制灯光打开，方便检查箱内婴儿情况。infra1的2号引脚与处理器的pc10引脚相连。图8为zigbee电路图，zigbee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，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，当zigbee模块接入由协调器构建的网络中后，终端采集单元采集到的数据就可以实现透明传输。客户端的zigbee模块接收各终端发来的数据，通过串口发送给数据监测平台，当数据出现异常时，数据监测平台会发送报警命令给数据核心处理器，数据核心处理器解码命令后控制报警音乐响起，同时可以通过手动发送报警解除命令。所述无线传输单元包括数据核心处理器、zigbee模块和以太网模块，无线传输单元的数据核心处理器控制所述zigbee模块从zigbee网络获取采集终端上传的采集数据，并将采集数据由以太网模块经局域网送至服务器；每个无线传输单元建立采集终端到服务器的一个数据传输通道；所述数据监测平台包括客户端数据处理单元和以及与所述数据处理单元线性连接的报警器控制端。在本申请的一些实施例中，所述终端采集单元中设有婴儿哭声识别算法分析功能，即声音传感器中设有算法识别分析功能；如图9所示，婴儿哭声识别算法分析功能采用婴儿哭声信号模型，其中增益为g的信号t(n)在经过h(z)产生输出信号，即婴儿哭声信号x(n)，声道参数即是线性预测系数，其中，h(z)为全极点模型的表达式为(1)式所示：在(1)式中，模型参数分别为：系数ai、增益常数g、以及模型阶数p。由(2)式得，f(z)由ai决定，采用最小均方误差准则，可求得ai；短时预测均方误差为e(n)，其表达式为(3)式所示：en在每一帧声音信号的范围内进行，当时，en可取到最小值，其中，k＝1,2,…p，即：因此，可以得到线性方程组：φ(k,i)∑nx(n-k)x(n-i)其中，k＝1,2,…p，如果定义其中，k＝1,2,…p；i＝0,1,2,…p，则(5)式可用(6)式表示：当k＝1,2,…p时，对应的有p个线性方程组，解出方程组就可以求得p个线性预测系数的估计值本实施例中，因对于线性预测方程组，自相关法稳定性较好，具有高效递推算法的优势，因此优先考虑自相关法，自相关函数经过加窗处理后可以如式(7)所示：自相关函数法需要加窗进行过滤，但误差较大，计算精度较差。为提高识别精度，本申请采用优化过的布莱克曼窗进行滤波，相对于其它窗函数，其主瓣宽，旁瓣比较低，且波动较小，幅值识别精度高。首先进行预加重处理，在经过端点检测之后，将语音信号进行分帧，然后对每一帧信号使用优化的布莱克曼窗处理，使得滤波之后的信号噪声明显减少，求得哭声信号的线性预测系数精度大大提高，得到的数据即可以进一步分析识别。如图10-13所示，所述数据核心处理器采用stm32核心板，所述stm32核心板设计流程为：step1：系统硬件功能的初始化，其具体包括lcd初始化，adc初始化，串口初始化，rtc初始化，时钟初始化；即将stm32设为初始状态；step2：数据采集，当数据超出设定的域值，数据采集信号传输至报警器控制端，报警器控制端会发出报警信号；step3：所述step2中的数据采集信号后，会持续通过串口发送给zigbee模块。进一步的，所述zigbee模块包括zigbee终端模块以及zigbee协调模块。进一步的，所述zigbee终端模块的工作流程为：step1：将协议栈初始化并加入到一个协调器组建的zigbee网络中；step2：zigbee模块采用cc2530芯片，其所有功能进入待机状态；step3：串口接收数据时通过触发事件处理函数解码，触发串口中断，zigbee终端模块被唤醒；step4：当符合编码格式时，zigbee终端模块组播发送信息至zigbee协调模块；step5：当zigbee协调模块接收到组播信息后会进行报警。本实施例采用的cc2530型号zigbee模块适应2.4-ghzieee802.15.4的rf收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，且可编程的输出功率高达4.5dbm，对外接元件的要求低，只需一个晶振电路，即可满足网状网络系统需要，用于本实施例中，可有效提高整个系统的稳定性。zigbee协调模块的工作流程为：首先进行协议栈初始化，然后组建一个zigbee网络，cc2530会进入待机状态，当有模块加入到网络中时，系统会被唤醒，接收到zigbee终端模块发送过来的数据会通过串口传输给数据监测平台即客户端，如pc机，同时zigbee协调器模块接收到pc机上传来的数据后会进行相应的报警提示。进一步的，一种基于zigbee无线通信的育婴箱自动巡查报警系统，还包括控制端管理软件。在本申请的一些实施例中，所述控制端管理软件的运行步骤为：(1)控制端运行之后，进入用户登陆界面，输入正确的用户名和密码才能进入主界面，登陆信息会被存入数据库中；(2)主界面中会显示各育婴箱的状态信息，同时所有的数据会存储在数据库中；(3)进入每个育婴箱单元可以查看各个育婴箱的信息；(4)当有参数出现异常时，主界面和对应的育婴箱会出现报警提示。进一步的，所述步骤(2)中育婴箱的状态信息包括正常使用、出现异常、未被使用等3种状态。进一步的，所述步骤(3)中育婴箱的信息包括各种环境参数，温湿度、光强、声音等数据信息，还可根据实际需要增加或者其他参数测试仪。育婴箱的一侧设有液晶屏显示器，液晶屏显示器可以显示育婴箱中的环境参数，包括声音传感器、振动传感器、红外感应传感器、光敏传感器、四个温湿度传感器的信息，液晶屏显示器上还设有报警区域和时间日期显示，使用者可通过液晶屏显示器对各种环境参数以及报警信息进行直白的观察。当数据监测平台出具异常时，报警信号会发出报警信号，本申请对基于zigbee技术的育婴箱环境的监测系统做出来完整的整体架构的搭建，主要包括软硬件的选择和设计方案、基于zigbee模块传输技术的数据传输方案及种传感器的采集方案，分别单独对各参数采集模块、数据传输模块和控制存储单元进行了实际测试，达到了预期效果。本申请必须将硬件与软件结合，才能实现全面监测各参数的功能，缺一不可。此外本申请的各传感器的型号并不限于本实施例中提到的型号。至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本申请有了清楚的认识。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本申请的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。当前第1页12