基于PIC32單片機(jī)為中心的電子防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1項(xiàng)目概述

1.1 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目主要是完成具有防錯(cuò)抱、防被偷及門禁功能的新生嬰兒防盜系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)，具體工作包括以下部分：

系統(tǒng)基本功能：

建立主動(dòng)式電子標(biāo)簽(紐扣電池供電)；

實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽識(shí)別與應(yīng)答的閱讀器；

研究PIC32單片機(jī)的中心處理硬件的開發(fā)；

在相關(guān)的出口建立檢測(cè)器；

建立異常情況處理機(jī)制，例如嬰兒標(biāo)記被破壞，標(biāo)記檢測(cè)不到，嬰兒進(jìn)去非法區(qū)域等，系統(tǒng)對(duì)于相應(yīng)的情況進(jìn)行相關(guān)的處理；

擴(kuò)展功能：

實(shí)現(xiàn)與醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)連接，并和醫(yī)院的包圍中心進(jìn)行聯(lián)動(dòng)；

可以加入電子溫度感應(yīng)，對(duì)新生嬰兒進(jìn)行體溫測(cè)量，防止嬰兒發(fā)燒或者低燒，發(fā)現(xiàn)較晚引起不良的結(jié)果。

1.2 開發(fā)背景

無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是一項(xiàng)已經(jīng)存在數(shù)十年的應(yīng)用技術(shù)，其在物流與供應(yīng)連接領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也還處于早期階段。RFID具有非可視識(shí)別、識(shí)別距離較遠(yuǎn)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、具有唯一的ID號(hào)、偽造與克隆困難、數(shù)據(jù)可以現(xiàn)場(chǎng)改寫和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大的特點(diǎn)。近年來，RFID技術(shù)在許多方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。

醫(yī)院每天都有新生嬰兒誕生，由于新生嬰兒外貌特征相似，且沒有理解和表達(dá)能力，若不加以有效標(biāo)識(shí)往往會(huì)造成嬰兒錯(cuò)抱及嬰兒被盜等問題，給醫(yī)院及嬰兒家庭帶來災(zāi)難性的后果。為了有效避免這種問題的出現(xiàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于RFID技術(shù)的嬰兒防盜系統(tǒng)，能夠徹底防止嬰兒在醫(yī)院內(nèi)被盜，有效保護(hù)嬰兒的安全。無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象.無(wú)需可見光源，具有穿透性，無(wú)需與目標(biāo)直接接觸就可以獲取數(shù)據(jù)。

醫(yī)院是人員復(fù)雜、流動(dòng)量又非常大的公共場(chǎng)所。近年來，新生嬰兒在醫(yī)院被丟失、盜竊的事件經(jīng)常發(fā)生，傳統(tǒng)的嬰兒監(jiān)護(hù)管理通常由采用可視識(shí)別文字、條碼、卡片來識(shí)別的人工看護(hù)管理方式，該管理方式往往容易因錯(cuò)誤識(shí)別而導(dǎo)致被調(diào)換和被盜竊事件發(fā)生，給醫(yī)院和家屬帶來巨大損失和影響。

在此提出一種全新的基于RFID技術(shù)的新生兒電子防盜系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，由于RFID具有遠(yuǎn)距離非接觸快速準(zhǔn)確的讀取特性，非常適合用來對(duì)新生兒特征信息進(jìn)行讀取和監(jiān)控，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理更加合理科學(xué)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠.

現(xiàn)在，新生兒病區(qū)由于缺乏可靠的嬰兒識(shí)別產(chǎn)品，采用的是一塊膠布，上面寫著病人的病床號(hào)，貼在病兒的頭部和手部，它是該病人在整個(gè)住院期間重要標(biāo)識(shí)，由于膠布在洗澡、頭皮輸液后都需要重新填貼。另外，新生兒皮膚嬌嫩，如果病人住院時(shí)間較長(zhǎng)，皮膚都會(huì)出現(xiàn)紅腫等皮膚過敏現(xiàn)象，經(jīng)常引起病人家屬的不滿，造成不必要的醫(yī)療糾紛。為防止皮膚過敏，每天都要換地方重新粘貼，同時(shí)手寫資料可能太潦草難以辨認(rèn)，有時(shí)無(wú)法獲得正確信息，而且重復(fù)書寫導(dǎo)致工作負(fù)擔(dān)加重。基于上述原因，我們借助現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)院的廣泛使用，將RFID(Radio Frequency ID)技術(shù)引進(jìn)到醫(yī)院新生兒管理上來，做了一些嘗試。本文提出一種基于RFID的嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用模型，通過對(duì)RFID的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、管理的流程闡述了RFID的新的應(yīng)用模式結(jié)構(gòu)，旨在對(duì)RFID的企業(yè)應(yīng)用模型給出些借鑒的方案。

1.3 項(xiàng)目的意義

近年來，新生嬰兒在醫(yī)院被盜的事件頻頻發(fā)生，傳統(tǒng)的嬰兒管理通常采用可視識(shí)別條碼、卡片來識(shí)別的人工看護(hù)管理方式，新生嬰兒往往特征相似而難以區(qū)分，而且其本身的理解和表達(dá)能力欠缺，如果不加以有效地標(biāo)識(shí)往往會(huì)造成錯(cuò)誤識(shí)別而被調(diào)換，結(jié)果會(huì)給事件所涉及的各方帶來無(wú)可挽回的巨大影響。因此克服了傳統(tǒng)的用做與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的監(jiān)管系統(tǒng)(如下圖)具有接口不足，并且當(dāng)醫(yī)院局域網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)出現(xiàn)信息的滯后性。以及改進(jìn)了傳統(tǒng)應(yīng)答機(jī)制，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

圖1 傳統(tǒng)醫(yī)院嬰兒防盜系統(tǒng)框圖

我們將傳統(tǒng)系統(tǒng)的中間件，以及傳統(tǒng)系統(tǒng)通過醫(yī)院局域網(wǎng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析以及與相關(guān)業(yè)務(wù)平臺(tái)向?qū)?yīng)的控制操作，集成在一塊MCU嵌入式系統(tǒng)中，由嵌入式系統(tǒng)做出智能的判斷。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)平臺(tái)的多功能化，以及微小型化，通用性增強(qiáng)?？梢约尤敫嗟哪K功能，實(shí)現(xiàn)新生嬰兒管理的完全智能化。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

本部分主要介紹基于RFID的新生嬰兒防盜，防錯(cuò)抱系統(tǒng)的總體思路和研究方向，在實(shí)施過程中可能存在修改和變化。

2.1系統(tǒng)整體框圖

圖2 RFID部分原理圖

2.2功能描述

1..基本功能：

(1)這里我們所采用的基于PIC32的中心控制系統(tǒng)，使用The PIC32 Ethernet Starter Kit開發(fā)板是一個(gè)功能強(qiáng)大的微控制器開發(fā)板，并且其適用于嵌入式控制和機(jī)器人工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。作為檢控系統(tǒng)的中心控制芯片，以及與事件相關(guān)處理人員進(jìn)行通訊。其接受應(yīng)答器發(fā)送的信息與數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行精確的定位，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的顯示出現(xiàn)在所有電子標(biāo)簽的狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)查看。并判斷出故障的地方與相應(yīng)的編號(hào)。

(2)采用以每一個(gè)嬰兒或者其他監(jiān)護(hù)人員配用一個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽是采用主動(dòng)性電子標(biāo)簽，使用紐扣型電池，具有工作可靠性高，作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

(3)應(yīng)答器則是用來感應(yīng)電子標(biāo)簽，在所裝有應(yīng)答器的空間對(duì)所有的電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和地方確認(rèn)。

(4)觸摸式液晶顯示，用于設(shè)置初始狀態(tài)，以及增加電子標(biāo)簽和減少電子標(biāo)簽(當(dāng)嬰兒期滿出院，或者有新生兒出生)進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)輸入，以及數(shù)據(jù)的查詢。以及顯示對(duì)現(xiàn)狀的實(shí)時(shí)顯示，以及對(duì)突發(fā)狀況的特殊顯示(例如事故發(fā)生地點(diǎn)等)。

(5)如果有更多需要，則通過網(wǎng)絡(luò)或者GPRS等方式對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行通知，要求進(jìn)行查證。也可以通過網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)中心進(jìn)行通訊，并且定時(shí)的將數(shù)據(jù)進(jìn)行備份記錄。

2.擴(kuò)展功能：

(1)可以在模塊中加入其它生物，物理，化學(xué)等方面的傳感器，對(duì)相應(yīng)的狀況進(jìn)行預(yù)警處理，例如在電子標(biāo)簽中加入溫度感應(yīng)，并且將可疑的情況進(jìn)行匯報(bào)，防止嬰兒或者病患的高燒或者低燒，導(dǎo)致問題的發(fā)生，進(jìn)一步的保障病人的生命安全。

(2)可以在應(yīng)答器中加入對(duì)氣體的感應(yīng)模塊，有效的檢測(cè)空氣中的氣體成分，并對(duì)其分析，如果出現(xiàn)火災(zāi)等事故，或者其他氣體的泄露等可以通過警報(bào)，并對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行適時(shí)的處理。

2.3硬件設(shè)計(jì)

中心控制模塊

PIC32的主頻可以達(dá)到80MHz，其帶有512K閃存，128K的RAM，以及集成的DMA，CAN和USB總線?？梢酝旰玫膶?shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)處理，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與以太網(wǎng)通信的功能。通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器所采集數(shù)據(jù)的接收以及根據(jù)數(shù)據(jù)迅速的做出相應(yīng)的判斷，以及可以通過此網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)的通訊，以及根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)判斷并做出指示和控制。

圖3 中心模塊

觸摸屏模塊(人工輸入輸出顯示模塊)

我們所采用的是北京迪文科技有限公司的只能顯示終端DP104B，其帶有與PC機(jī)的DB9串口連接，可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的一致性，以及RS485接口，可以很好的與中心控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。迪文智能采用的是16位的顏色模式，最多可以表現(xiàn)65536種顏色，和可以接受外部訪問的32MB用戶存儲(chǔ)器。完全的可以達(dá)到我們系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示的要求。以及可以在觸摸鍵盤上實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置，以及一些數(shù)據(jù)的調(diào)用和改變，當(dāng)一個(gè)嬰兒出院或者一個(gè)新生嬰兒出生時(shí)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。并且可以根據(jù)需求提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示。

電子標(biāo)簽與閱讀器

電子標(biāo)簽采用的射頻模塊是nRF2401，其具有功耗低，體積小，成本低，便攜性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，它是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，內(nèi)置頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器，調(diào)制器等功能模塊。其輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，本系統(tǒng)采用2.4GHz的頻率。采用3V內(nèi)置紐扣電池提供電源供電，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)性識(shí)別。

閱讀器所使用的是nRF2401模塊，并采用3.3V直流供電，帶有RS485等接口，以及TCP/IP接口，實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的通信。

圖4電子標(biāo)簽與閱讀器原理圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

主要流程：

圖5 應(yīng)答器流程圖

圖6 中心處理流程圖
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