基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)

王偉++王進(jìn)++劉易

摘 要：醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)壓力容器和管道內(nèi)氣體的壓力、流量、溫度以及壓力容器內(nèi)的液態(tài)氣體質(zhì)量、液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用嵌入式處理器對(duì)置于監(jiān)視對(duì)象上的傳感器感知數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、處理，按照通信協(xié)議制定的規(guī)則封裝數(shù)據(jù)包，通過GPRS、CDMA、WiFi 等方式將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，在云服務(wù)器上對(duì)存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)視數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并給出關(guān)于氣體供應(yīng)的當(dāng)前狀態(tài)、預(yù)/警報(bào)信息。然后通過大數(shù)據(jù)分析給出正確的氣體供應(yīng)策略，并提供精準(zhǔn)的財(cái)務(wù)決算依據(jù)及面向指定設(shè)備的維保提議。該系統(tǒng)是滿足現(xiàn)代化醫(yī)院氣體供應(yīng)的安全、可靠的運(yùn)行平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：氣體供應(yīng)監(jiān)視；云服務(wù)；大數(shù)據(jù)分析；嵌入式處理器

中圖分類號(hào)：TP277；TP274.2；X967 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-06

0 引 言

醫(yī)療氣體管線供給系統(tǒng)是現(xiàn)代化醫(yī)院重要的且必不可少的組成部分，它包括醫(yī)用氧氣系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、笑氣（N2O）、氮?dú)庀到y(tǒng)、二氧化碳系統(tǒng)和醫(yī)用氣體、液化氣體供應(yīng)與存儲(chǔ)狀況的監(jiān)視與分析系統(tǒng)。

國內(nèi)現(xiàn)有醫(yī)用氣體供應(yīng)狀況的監(jiān)視更多的是依賴人工根據(jù)容器或其上的氣壓表的指示來手動(dòng)調(diào)整供氣的壓力狀況，依靠人工識(shí)讀計(jì)量表來界定是否添加儲(chǔ)罐中的液化氣體。這種依靠人工的方式存在的首要問題是難以保證氣體供應(yīng)的安全性與連續(xù)性，即便采取縮短對(duì)氣體供應(yīng)裝置的巡察時(shí)間，也難以實(shí)現(xiàn)供應(yīng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)報(bào)警。其次是缺少供應(yīng)計(jì)量方面的精確性、計(jì)劃性。移動(dòng)氣體鋼瓶靠人工決定是否更換，經(jīng)常造成使用中的氣體鋼瓶被提前更換的現(xiàn)象出現(xiàn)。同樣，封閉容器內(nèi)液體填注的時(shí)機(jī)、數(shù)量也完全由現(xiàn)場(chǎng)值班人員決定。何時(shí)充填、充填多少則由經(jīng)驗(yàn)和估算決定。再次是對(duì)管道、封閉容器的完好性缺乏監(jiān)測(cè)，給氣體供應(yīng)留下安全隱患。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)主要運(yùn)用傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)封閉容器內(nèi)的氣體、液化氣體的溫度、壓力、質(zhì)量和容器內(nèi)的液位以及對(duì)外氣體供應(yīng)的瞬時(shí)流量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。根據(jù)氣體當(dāng)前容器內(nèi)的儲(chǔ)備量和供應(yīng)情況進(jìn)行分析，給出氣體供應(yīng)狀況的警示，指導(dǎo)移動(dòng)氣體鋼瓶的更換與封閉容器內(nèi)的液體的充填時(shí)機(jī)；監(jiān)督、記錄氣體鋼瓶的更換時(shí)間與重量、壓力、數(shù)量等級(jí)；測(cè)算注入容器內(nèi)的液化氣體的質(zhì)量、體積；給出氣體供應(yīng)相關(guān)的月、季、年的財(cái)務(wù)參考數(shù)據(jù)。系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某中心醫(yī)院，當(dāng)年在降低勞動(dòng)力成本、提高氣體利用率方面為醫(yī)院節(jié)省了七十多萬元。通過對(duì)歷史供應(yīng)狀況的數(shù)據(jù)分析，得出的關(guān)于氣體供應(yīng)方案的年度預(yù)算、管道健康狀態(tài)的評(píng)估、氣體供應(yīng)與季節(jié)流行病的關(guān)系等有意義的課題推動(dòng)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。該監(jiān)視系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行了1000多個(gè)日夜尚未發(fā)生任何系統(tǒng)故障，有力地保障了醫(yī)院供氣系統(tǒng)的安全性和高效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

醫(yī)用氣體供應(yīng)所監(jiān)視的物理量有壓力、壓差、液位、流量、重量（液體罐）、溫度等。

醫(yī)用氣體供應(yīng)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院用氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)醫(yī)院氣體供應(yīng)的現(xiàn)狀實(shí)時(shí)表征，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)供應(yīng)狀態(tài)的異常，可對(duì)供應(yīng)儲(chǔ)備下限進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，使其保持良好的供應(yīng)狀態(tài)，杜絕了因人工巡視不及時(shí)導(dǎo)致的氣體儲(chǔ)備量不精準(zhǔn)所帶來的氣體供應(yīng)上的醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)通過對(duì)醫(yī)用氣體供應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)關(guān)于氣體供應(yīng)的財(cái)務(wù)報(bào)告。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的歷史分析對(duì)管路健康情況做出評(píng)估。系統(tǒng)根據(jù)氣體供應(yīng)的情況可建立關(guān)于氣體供應(yīng)量與醫(yī)院急救重癥救治間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，更好地為現(xiàn)代化醫(yī)院的管理與運(yùn)營提供支持 。醫(yī)用氣體供應(yīng)狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用，分三個(gè)層次。底層為感知層。在醫(yī)院氣體供應(yīng)領(lǐng)域，其感知層對(duì)象主要有氧氣、二氧化碳、一氧化二氮（笑氣），氮?dú)獾?。這些醫(yī)用氣體在封閉的容器中儲(chǔ)存，通常的狀態(tài)為液態(tài)或氣態(tài)。在封閉的容器中加裝探測(cè)管線，通過在探測(cè)管線中加裝傳感器，將氣體當(dāng)前的物理狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換成微電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理將感知到的微電信號(hào)轉(zhuǎn)化為與氣體物理量對(duì)應(yīng)的格式化量級(jí)，成為可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)幀。

圖2所示為對(duì)液氧罐體內(nèi)外的氧氣狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取的框圖，提取的數(shù)據(jù)有液氧罐體內(nèi)的液氧液位，氣化后的氧氣壓力、溫度、輸送給管線的氧氣流量。

對(duì)可移動(dòng)的灌裝氣體的數(shù)據(jù)提取采取集中管理的方式，在每種氣體的匯流排上加裝壓力、溫度、流量傳感器，實(shí)時(shí)上傳傳感信息；同時(shí)對(duì)供應(yīng)管線上的灌裝氣體進(jìn)行總體稱重，監(jiān)視罐體的重量變化，對(duì)非線性變化進(jìn)行智能判斷、記錄。瓶裝氣體壓力、溫度、流量、重量數(shù)據(jù)提取的框圖如圖3所示。

系統(tǒng)第二層以嵌入式處理器為中心，采集處理來自底層的感知信號(hào)。這一層的主要功能是協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送，運(yùn)用環(huán)形隊(duì)列協(xié)調(diào)本層的通信處理器以完成上層數(shù)據(jù)報(bào)文的解析及本層數(shù)據(jù)報(bào)文的封裝；建立數(shù)據(jù)流監(jiān)視窗口，對(duì)超過上下限值的數(shù)據(jù)是否啟動(dòng)故障處理進(jìn)程進(jìn)行甄別；維護(hù)自身的程序與數(shù)據(jù)安全，管理本級(jí)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)、I/O端口、通信配置。

系統(tǒng)第三層即頂層，該層使用了云平臺(tái)?；谠破脚_(tái)建立系統(tǒng)的管理所帶來的益處主要是現(xiàn)場(chǎng)減少了設(shè)備與發(fā)布系統(tǒng)的物理線纜連接，現(xiàn)場(chǎng)施工、維護(hù)十分方便。設(shè)備的無故障時(shí)間得以提升。云端遠(yuǎn)程應(yīng)用系統(tǒng)管理、配置、診斷、備份、更新、數(shù)據(jù)共享更加便捷。在客戶端，使用醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)的用戶可以在任何可連通互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電腦、智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備上得到云服務(wù)器、云虛擬主機(jī)記錄的氣體供應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的氣體供應(yīng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、氣體的儲(chǔ)備余量/消耗量信息?？杉皶r(shí)得到關(guān)于氣體供應(yīng)狀態(tài)上限/下限的預(yù)警、報(bào)警。圖4所示為采用云虛擬主機(jī)架構(gòu)下的監(jiān)視數(shù)據(jù)分享框圖。

基于云服務(wù)架構(gòu)的醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行三年多的時(shí)間里運(yùn)行穩(wěn)定。臨床科室、設(shè)備管理、后勤財(cái)務(wù)等相關(guān)部門均可在第一時(shí)間得到所需的信息。

2 傳感器選型要點(diǎn)

感知?dú)怏w狀態(tài)的首要器件是傳感器，醫(yī)療衛(wèi)生中使用的氣體與人體接觸密切，要求與醫(yī)用氣體接觸的傳感器件在工作環(huán)境處于-40℃至+80℃的溫度下不產(chǎn)生有毒物質(zhì)；在供應(yīng)氣體的傳輸通道中，無機(jī)械動(dòng)作帶來的任何污染；同時(shí)供氣設(shè)備具備低噪音、易維護(hù)，使用、安裝方便的特點(diǎn)。endprint

2.1 旋進(jìn)旋渦氣體流量計(jì)

在應(yīng)用中利用氣體漩渦來對(duì)管道內(nèi)部的流動(dòng)氣體進(jìn)行流量測(cè)量可較好地滿足應(yīng)用需求。其具有當(dāng)流體通過螺旋形導(dǎo)流葉片組成的旋渦發(fā)生體后，流體被迫繞旋渦發(fā)生體中心劇烈旋轉(zhuǎn)，形成旋渦流，旋渦流沿流動(dòng)方向經(jīng)縮徑段后，流動(dòng)強(qiáng)度得以增強(qiáng)的特點(diǎn)。旋進(jìn)旋渦氣體流量計(jì)如圖5所示。

5.溫度傳感器；6.壓電傳感器；7.出口導(dǎo)流體

當(dāng)旋渦流進(jìn)入擴(kuò)散段后，在導(dǎo)流體回流的作用下產(chǎn)生旋渦的二次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，二次旋渦進(jìn)動(dòng)的頻率與流量成正比，在很寬的流量范圍內(nèi)，旋渦的頻率與流量成線性關(guān)系。經(jīng)相關(guān)運(yùn)算可得到壓力、瞬時(shí)流量值。經(jīng)信息處理通過4～20 mA電流信號(hào)或以RS 485接口信號(hào)輸出。旋進(jìn)旋渦氣體流量計(jì)由于無機(jī)械磨損，結(jié)構(gòu)免維護(hù)，無故障時(shí)間得以延長。

2.2 機(jī)電一體的壓差液位計(jì)

在中型以上醫(yī)院中，高壓氧艙、手術(shù)室、急救中心是日常氧氣用量較多的部門。通常采用液氧轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來保障日常的醫(yī)用氧氣供應(yīng)。

液氧的儲(chǔ)存主要使用儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)部置有內(nèi)膽，外殼與內(nèi)膽間用隔熱的珠光砂粉末填充，然后對(duì)夾層進(jìn)行真空處理。通過夾層的隔熱措施，保持內(nèi)膽里的氧氣處于低溫液態(tài)。

機(jī)電相結(jié)合的差壓液位計(jì)較好地應(yīng)用于低溫液體介質(zhì)的液位測(cè)量。其原理是基于低溫容器內(nèi)的液體高度，等比于低溫容器內(nèi)氣相與液相靜壓力之差。通過測(cè)量靜壓力差的大小來確定被測(cè)液體的高度。壓差的提取方式如圖6所示。

當(dāng)工作介質(zhì)氣體經(jīng)過節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的壓力差通過高壓閥和低壓閥進(jìn)入感測(cè)部分的介質(zhì)倉。來自罐體頂部的氣體壓力P0與底部的壓力PB在介質(zhì)倉內(nèi)被一個(gè)彈性隔膜隔斷，作用在膈膜兩側(cè)的壓差變化導(dǎo)致了彈性膈膜的反抗與恢復(fù)。這個(gè)動(dòng)作過程被按比例的傳導(dǎo)到聯(lián)動(dòng)機(jī)械裝置上，從而使壓差的變化可測(cè)量。信號(hào)處理器采集這個(gè)機(jī)械動(dòng)作的變化量，轉(zhuǎn)化得到低溫容器內(nèi)的液體高度數(shù)據(jù)值，用環(huán)流形式以4～20 mA輸出。以這種方式提取的液位信息在工程實(shí)現(xiàn)上安全、方便、數(shù)據(jù)線性誤差較小。

3 嵌入式硬/軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式硬件體系

醫(yī)用氣體供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)傳感器/變送器的數(shù)據(jù)采集與處理采用了嵌入式處理器，而未采用PLC控制系統(tǒng)，這主要基于如下考慮：

（1）基于對(duì)信息的處理與運(yùn)算。

（2）基于歸一化接口信號(hào)與設(shè)備級(jí)聯(lián)。

（3）基于Cortex-M3處理器的高性價(jià)比。

更多的用戶希望通過中層設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線聯(lián)網(wǎng)，與眾多移動(dòng)數(shù)據(jù)設(shè)備如PDA、智能手機(jī)、數(shù)據(jù)終端進(jìn)行無線通信。希望能在控制器中進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算和多向量中斷處理，并具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖形顯示功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)讀取、人機(jī)交互、系統(tǒng)檢測(cè)的應(yīng)用需求。為此，我們從儀表+PLC+PC的控制模式轉(zhuǎn)向了PAC+云服務(wù)的模式。

醫(yī)用氣體供應(yīng)系統(tǒng)的傳感信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后通過RS 485總線傳至嵌入式處理器，系統(tǒng)采用了Cortex-M3處理器，集成了存儲(chǔ)器控制器，定義了4個(gè)串行接口、CAN總線接口、USB接口，其設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

3.2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)采集與處理

MCU微處理器在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)采集、通信管理、安全自檢等職責(zé)，它利用存儲(chǔ)、運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)完成如下動(dòng)作：

（1）初始化GPRS DTU，SMS DTU，保持GPRS建立與云端的通信連接，維護(hù)本地時(shí)間保持與云端的同步。

（2）掃描、維護(hù)數(shù)據(jù)報(bào)警限度表，監(jiān)視FPGA發(fā)來的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)是否超限、超時(shí)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述情況則啟動(dòng)報(bào)警流程，通過SMS DTU發(fā)送報(bào)警信息。

（3）設(shè)備狀態(tài)判斷。對(duì)前端變送器、安全柵、FPGA、斷電、失效做出評(píng)估，并將情況通過GPRS、SMS短信方式通知維護(hù)者。

（4）按用戶定義的通信協(xié)議打包數(shù)據(jù)幀，CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀，在連接狀態(tài)下發(fā)送數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)包接收與發(fā)送流程圖如圖8所示。

（5）解析云端的信息，按照云端的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。云端操作包括上傳設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、上傳設(shè)備檢查和暫停服務(wù)、接收數(shù)據(jù)包、系統(tǒng)復(fù)位、系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

（6）維護(hù)系統(tǒng)參數(shù)表。MCU按參數(shù)表內(nèi)容分配資源，定義程序運(yùn)行參數(shù)。

應(yīng)用軟件在長期運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定所采取的主要措施是應(yīng)用系統(tǒng)啟動(dòng)加載后定時(shí)檢查維護(hù)程序所設(shè)定的數(shù)據(jù)表。該表含有程序的自我診斷檢查和通信協(xié)議參數(shù)等。系統(tǒng)在定義的任務(wù)執(zhí)行后自檢，比較數(shù)據(jù)表、程序、數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤后均重啟系統(tǒng)。或使用watchdog，在程序“跑飛”后復(fù)位系統(tǒng)。

4 云服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的云服務(wù)包括與設(shè)備相關(guān)的地理信息、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)獲取導(dǎo)航、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析圖表、設(shè)備異常征候預(yù)警與異常時(shí)的報(bào)警服務(wù)、故障診斷等。

這些功能緊密圍繞著數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用展開，由云存儲(chǔ)系統(tǒng)和云發(fā)布系統(tǒng)組成。

4.1 云主機(jī)支持下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略

云主機(jī)是云計(jì)算在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用上的重要組成部分，云主機(jī)整合了互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的三大核心要素：計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)，面向用戶提供公用化的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

系統(tǒng)采用了阿里云云主機(jī)，基于龐大的服務(wù)器集群，硬件全部冗余，單點(diǎn)故障率幾乎為零，讓用戶感覺不到硬件故障的發(fā)生。智能多線機(jī)房，千兆共享、5 M獨(dú)享帶寬保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取Ｔ谠浦鳈C(jī)平臺(tái)下本系統(tǒng)配置了Oracle服務(wù)器管理前端發(fā)來的醫(yī)用氣體的狀態(tài)監(jiān)視信息。在多點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)、不間斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收情況下為保證數(shù)據(jù)的合理存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)塊的快速查詢，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)表分時(shí)段存儲(chǔ)，即對(duì)一監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)按年、季、月、日建立數(shù)據(jù)表格。每日產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在此日的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間由數(shù)據(jù)庫的定時(shí)任務(wù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到月表中。日數(shù)據(jù)表僅保存當(dāng)日的數(shù)據(jù)，保證在當(dāng)日頻繁的數(shù)據(jù)讀寫操作過程中保持?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)的快速、流暢。同理，月表累計(jì)一個(gè)月的數(shù)據(jù)，在以月為單位的數(shù)據(jù)查詢中提高了系統(tǒng)的查詢速度，年終由系統(tǒng)所定義的任務(wù)將12個(gè)月表進(jìn)行歸一化處理存檔。endprint

對(duì)月表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，將所產(chǎn)生的結(jié)果信息放入數(shù)據(jù)特征表中，數(shù)據(jù)特征表反映了一個(gè)月內(nèi)所關(guān)心事件的結(jié)果信息，對(duì)數(shù)據(jù)特征表的使用在很大程度上減少了原始數(shù)據(jù)的訪問，提高了系統(tǒng)的效率。

4.2 云發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

醫(yī)用氣體、液化氣體供應(yīng)與存儲(chǔ)狀況的監(jiān)視與分析系統(tǒng)具有醫(yī)用氣體運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)采集、傳輸與分析功能，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、傳輸、醫(yī)用氣體供應(yīng)下限預(yù)警、醫(yī)用氣體故障警報(bào)等模塊。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)醫(yī)用氣體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)醫(yī)用氣體供應(yīng)狀況的異常并報(bào)警。通過對(duì)醫(yī)用氣體供應(yīng)故障期間的數(shù)據(jù)分析與回放，為氣體供應(yīng)情況提供評(píng)估依據(jù)。發(fā)布系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4.2.1 氣體狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示

醫(yī)用氣體運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控指標(biāo)包括醫(yī)用氣體壓力、氣體瞬時(shí)流量、累計(jì)流量、溫度，移動(dòng)灌裝容器內(nèi)的液態(tài)氣體重量、固定儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)氧液位差等狀態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)用戶需求設(shè)定氣體狀態(tài)的采樣時(shí)間間隔實(shí)時(shí)采樣管路內(nèi)的氣體狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)綁定當(dāng)時(shí)的時(shí)間信息。

4.2.2 狀態(tài)趨勢(shì)圖表顯示

氣體狀態(tài)圖顯示一段時(shí)間內(nèi)氣體隨時(shí)間變化的曲線。曲線的種類有直方圖、點(diǎn)狀圖、折線圖、面積圖、餅圖。圖表中可反映氣體監(jiān)視對(duì)象的變化趨勢(shì)。時(shí)間起始點(diǎn)由用戶定義，可分析日、周、月、季、年的數(shù)據(jù)變化。氣體狀態(tài)趨勢(shì)圖表是大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的具體應(yīng)用。

4.2.3 儀表面板數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)中的氣體狀態(tài)數(shù)據(jù)除使用表格、曲線顯示外還仿真通用的指針式儀表顯示。這個(gè)應(yīng)用方便值班人員對(duì)數(shù)據(jù)的觀察。指針式儀表盤定義了監(jiān)控對(duì)象正常工作時(shí)的綠色工作區(qū)間和紅色警報(bào)區(qū)間。指針對(duì)應(yīng)當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)值，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)指針會(huì)發(fā)出閃亮提醒并啟動(dòng)報(bào)警流程。

4.2.4 液位差數(shù)據(jù)顯示

對(duì)固定儲(chǔ)灌內(nèi)的液態(tài)氣體的監(jiān)控不僅采用了數(shù)據(jù)、表格顯示液位信息，同時(shí)還模擬連通器將容器中液體引入觀察管中，通過屏幕上顯示的刻度形象來顯示儲(chǔ)罐內(nèi)的液體高度。同步顯示液體當(dāng)前儲(chǔ)量值。當(dāng)液位高于或低于液位警示界面時(shí)系統(tǒng)會(huì)將觀察管置成紅色并按規(guī)律閃爍，同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警流程。

4.2.5 狀態(tài)預(yù)警信息提示

氣體狀態(tài)數(shù)據(jù)不僅可以實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，還可以通過后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析程序給出用戶供氣情況的綜合及可能發(fā)生的危機(jī)。在本系統(tǒng)中這一綜合通過對(duì)數(shù)據(jù)相互間的關(guān)系，運(yùn)對(duì)大數(shù)據(jù)的分析方法給出可能發(fā)生某種情況的概率，提示使用者關(guān)注、警惕某種狀態(tài)的發(fā)生。這對(duì)于供氣中的安全起到了預(yù)警作用。

4.2.6 氣供狀態(tài)異常報(bào)警

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)供氣數(shù)據(jù)會(huì)突變，數(shù)據(jù)在很短的時(shí)間內(nèi)偏離工作區(qū)限。這種情況在本系統(tǒng)中做了優(yōu)先級(jí)最高的處理。當(dāng)硬件設(shè)備發(fā)生電流超載、雷擊、浪涌等故障時(shí)安全柵將切斷傳感器的電源。此時(shí)數(shù)據(jù)端會(huì)被設(shè)置為0狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)按流程處理這一情況，啟動(dòng)備用電池保證短信息以及報(bào)警數(shù)據(jù)幀的發(fā)出。在數(shù)據(jù)持續(xù)漸變至報(bào)警限的情況下，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警流程，將時(shí)間、報(bào)警地點(diǎn)、數(shù)據(jù)源、報(bào)警等級(jí)、報(bào)警類型、超限數(shù)值全部發(fā)往所定義的信息接收人和服務(wù)器、網(wǎng)站。

4.2.7 報(bào)警參數(shù)表設(shè)置

系統(tǒng)可根據(jù)用戶對(duì)所用氣體的管線情況和終端壓力要求設(shè)定報(bào)警參數(shù)。報(bào)警參數(shù)存儲(chǔ)在報(bào)警參數(shù)表中。

報(bào)警參數(shù)定義了氣體供應(yīng)異常時(shí)的閾值，系統(tǒng)根據(jù)氣體現(xiàn)狀是否超過這一閾值決定是否進(jìn)行報(bào)警操作。報(bào)警參數(shù)表可通過發(fā)布系統(tǒng)遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)置，與前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備保持同步。報(bào)警參數(shù)表的設(shè)置與更改需要有服務(wù)器端嚴(yán)格的身份、權(quán)限認(rèn)證。

4.2.8 氣供狀態(tài)報(bào)表支持

氣體狀態(tài)報(bào)表是向用戶提供氣體供應(yīng)、儲(chǔ)備情況的綜合報(bào)表系統(tǒng)。提供的表項(xiàng)目有氣體監(jiān)控對(duì)象的使用情況，包括最小壓力、平均壓力、最大壓力、流量峰值、平均流量、累計(jì)流量、氣體監(jiān)控對(duì)象的消耗量、液氧消耗量、凈重量、折合財(cái)務(wù)統(tǒng)計(jì)量、氣體、液體儲(chǔ)備量、環(huán)境溫度、報(bào)警情況等。報(bào)表分為日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)的形式，可以統(tǒng)計(jì)從月初至當(dāng)前的氣動(dòng)狀態(tài)。

設(shè)立報(bào)表查詢、CSV導(dǎo)出功能。綜合報(bào)表為醫(yī)用氣體故障多維統(tǒng)計(jì)和故障信息挖掘提供支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用氣體供應(yīng)故障數(shù)據(jù)多維統(tǒng)計(jì)結(jié)果的報(bào)表合成與輸出。包括表單定制、報(bào)表輸出、報(bào)表報(bào)送、報(bào)表發(fā)布等功能。氣體供應(yīng)狀態(tài)報(bào)表是大數(shù)據(jù)運(yùn)算的直接結(jié)果。反映了氣體供應(yīng)的近況和歷史，是對(duì)氣體使用狀態(tài)的基本評(píng)估。

4.2.9 用戶設(shè)備信息管理

供氣系統(tǒng)是由多個(gè)容器、管線、開關(guān)、儀表、控制器所組成的復(fù)雜系統(tǒng)。本供氣、儲(chǔ)量監(jiān)視系統(tǒng)的發(fā)布系統(tǒng)對(duì)所應(yīng)用的設(shè)備、儀表、控制器等均做了基礎(chǔ)信息管理，包括名稱、型號(hào)、性能、技術(shù)指標(biāo)、工作參數(shù)、設(shè)置方法、維護(hù)信息及備件信息。

系統(tǒng)采用電子標(biāo)簽RFID對(duì)流動(dòng)的醫(yī)用氣體鋼瓶進(jìn)行管理。氣體鋼瓶在使用、運(yùn)輸、充填、檢測(cè)過程中的信息可追溯。

4.2.10 管線的地理信息支持

設(shè)備管線地理信息支持是為設(shè)備的位置查詢、設(shè)備維護(hù)和供氣系統(tǒng)安全服務(wù)的。用戶以自己的用戶名、密碼登錄網(wǎng)站后可見到本用戶下的所有設(shè)備所處的地理位置、設(shè)備的管線分布、防火通道、周邊的地理信息。

4.2.11 歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)

發(fā)布系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)在云端存儲(chǔ)，當(dāng)客戶需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估時(shí)可通過系統(tǒng)提取這部分的數(shù)據(jù)。發(fā)布系統(tǒng)可按日期、時(shí)間、監(jiān)控氣體名稱、參數(shù)、報(bào)警數(shù)據(jù)信息等查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可屏幕拷貝、打印、轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

4.2.12 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制表

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)作參數(shù)可通過發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行更新。發(fā)布服務(wù)器將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)以選擇配置的方式記錄在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，數(shù)據(jù)服務(wù)器定時(shí)掃描系統(tǒng)參數(shù)表信息更改標(biāo)識(shí)，并根據(jù)更新內(nèi)容通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參數(shù)表內(nèi)容傳遞至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到更新命令后復(fù)位重啟并按新的控制表信息進(jìn)行工作。endprint

4.2.13 數(shù)據(jù)共享服務(wù)設(shè)置

用戶再登錄網(wǎng)站后系統(tǒng)根據(jù)用戶注冊(cè)的情況分配了不同的級(jí)別，其所能見到和操作界面與命令權(quán)限也不同。用戶在系統(tǒng)的授權(quán)下可以得到更多的系統(tǒng)服務(wù)，可以下載相關(guān)數(shù)據(jù)、報(bào)表、圖表等，并通過地理信息平臺(tái)的服務(wù)得到系統(tǒng)中不同區(qū)域的數(shù)據(jù)。

4.2.14 管理信息公告發(fā)布

發(fā)布系統(tǒng)面向用戶的管理信息公告發(fā)布可以是廣播形式的，也可是對(duì)用戶組、單一用戶的信息發(fā)布。其具有界面標(biāo)識(shí)提醒、彈出窗口、信息欄信息滾動(dòng)等顯示方式。

5 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)

醫(yī)用氣體供應(yīng)監(jiān)視是典型的物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)應(yīng)用。涉及的領(lǐng)域有醫(yī)學(xué)氣體工程、數(shù)字信號(hào)處理、云服務(wù)領(lǐng)域。在工程實(shí)現(xiàn)中，信息安全方面要解決的問題有以下幾項(xiàng)：

（1）排除人為對(duì)系統(tǒng)的干擾

識(shí)別罐體更換中人員與物體對(duì)稱重系統(tǒng)的沖擊。一般情況下，罐體更換具有短時(shí)間內(nèi)重量變化幅度大，變化前后的重量差為單滿罐重量的整數(shù)倍，變化時(shí)間區(qū)間在1～2分鐘內(nèi)的特征。根據(jù)特征程序?qū)φQ罐動(dòng)作記錄罐體更換的數(shù)據(jù)，無報(bào)警處理。

正常情況下氣體消耗曲線是線性遞減的，若重量突然增加，則系統(tǒng)認(rèn)為是一個(gè)事件，若人為導(dǎo)致稱重系統(tǒng)的慣性沖擊，則其最終結(jié)果是沖擊前后的重量差為零。據(jù)此可判定是人為動(dòng)作。程序?qū)Υ俗鰯?shù)據(jù)記錄，但不做報(bào)警處理。

無論是增加還是減少稱重系統(tǒng)上的物體，如果不具備換罐特征，則系統(tǒng)將實(shí)時(shí)報(bào)警，并記錄事件發(fā)生的時(shí)間與過程。

（2）數(shù)據(jù)傳輸對(duì)信源編碼加密

從前端傳感器、變送器發(fā)來的信息經(jīng)嵌入式處理器的處理后要通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)至云服務(wù)器?？罩行畔⒖梢员粋陕?、截收。意味著傳輸?shù)男畔⒖赡軙?huì)被解析，造成前端、服務(wù)器端被第三方利用，或遭到破壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。

因此，必須對(duì)系統(tǒng)的信源編碼采取加密措施。信息口令、時(shí)間數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)加密鏈后封裝在數(shù)據(jù)報(bào)文中。

使用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，采取信息幀流水號(hào)、數(shù)據(jù)報(bào)文、CRC校驗(yàn)方式建立數(shù)據(jù)幀的格式。保證報(bào)文的完整性。

在與服務(wù)器進(jìn)行通信前，首先采取相互認(rèn)證的方式建立連接。變送器到處理器間若存在長距離外線，發(fā)送前端應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理。

（3）服務(wù)器端口的自我保護(hù)

接收程序接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，首先對(duì)信息格式進(jìn)行甄別。判定這幀數(shù)據(jù)是否是請(qǐng)求信息，執(zhí)行應(yīng)答驗(yàn)證。若不是規(guī)則之內(nèi)，將斷開連接。

在連接成功后，進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文解析，通過解碼器還原數(shù)據(jù)報(bào)。若數(shù)據(jù)格式、注冊(cè)ID等非規(guī)則，則斷開連接。

只有符合規(guī)則的信息報(bào)才能夠被系統(tǒng)解析至數(shù)據(jù)庫，并通過發(fā)布系統(tǒng)發(fā)布。當(dāng)系統(tǒng)解析出現(xiàn)大量非注冊(cè)段IP的惡意攻擊時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并向注冊(cè)和已連接用戶發(fā)送端口轉(zhuǎn)移信令，啟用備用端口服務(wù)。

（4）數(shù)據(jù)空間的自調(diào)整診斷

氣體供應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)是不間斷的在線數(shù)據(jù)處理與記錄的系統(tǒng)。應(yīng)用當(dāng)中會(huì)接受云服務(wù)器的系統(tǒng)更新等安全方面的服務(wù)，需要預(yù)留部分存儲(chǔ)資源。與此同時(shí)，系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間會(huì)隨系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用時(shí)間的延長而越來越小。需要程序計(jì)算存儲(chǔ)空間提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)圖，自動(dòng)或提示導(dǎo)出數(shù)據(jù)。防止因運(yùn)行空間不足導(dǎo)致停機(jī)等狀況的發(fā)生。

6 結(jié) 語

醫(yī)用氣體、液化氣體供應(yīng)與存儲(chǔ)狀況的監(jiān)視與分析，使醫(yī)院能以較低的投資獲得一個(gè)功效強(qiáng)大的供氣系統(tǒng)，不僅保障了醫(yī)用氣體供應(yīng)的安全，還節(jié)省了人力、物力、財(cái)力，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)院氣體工程系統(tǒng)高效、安全、可靠地運(yùn)行。

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