醫(yī)用制氧機(jī)群智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/周正 左光群

對于醫(yī)用制氧機(jī)來說，其是物理制氧設(shè)備中較新的一種，不用其它的添加成分，僅與電源相連接，就能夠制造氧氣。現(xiàn)階段，對于醫(yī)用制氧機(jī)來說，基本都是以單機(jī)工作模式為主的，盡管自動化水平要高一些，然而其未對信息的遠(yuǎn)傳功能進(jìn)行檢測，護(hù)士站等是缺失的，使得監(jiān)控制氧機(jī)工作是缺失的。

本文以無線網(wǎng)絡(luò)為依托，對醫(yī)用制氧機(jī)群智能化的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的深入探討，利用中央控制室來使其無線控制作用得以全面實(shí)現(xiàn)，使參數(shù)遠(yuǎn)傳功能得以實(shí)現(xiàn)，例如氧氣流量等，從而能夠有效的管控一定范圍內(nèi)的制氧機(jī)，這樣用戶使用氧氣的安全性會提升，使用更加便利，從而使其取代氧氣瓶的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

1 總體架構(gòu)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)用制氧機(jī)群是由無線網(wǎng)關(guān)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個微型數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時對醫(yī)用制氧機(jī)群運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制。將中央控制器有效的應(yīng)用，從而可以控制、監(jiān)控制氧機(jī)，同時將信息進(jìn)行收集，利用無線通信，把數(shù)據(jù)向基站設(shè)備進(jìn)行傳輸，同時自這一基站開始，把數(shù)據(jù)向其它設(shè)備進(jìn)行傳送，利用網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)向遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行傳送，在控制中心的計(jì)算機(jī)中對其實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析，使遠(yuǎn)程控制功能得以實(shí)現(xiàn)。由于傳感器的節(jié)點(diǎn)和靈活性。結(jié)合設(shè)備工作情況，對其實(shí)施自主設(shè)置，所以，這一系統(tǒng)的可擴(kuò)展性十分突出。系統(tǒng)總體框架具體如圖1。

1.1 智能控制功能的實(shí)現(xiàn)

智能控制中心PC電腦有數(shù)據(jù)監(jiān)控功能、參數(shù)配置功能、實(shí)時數(shù)據(jù)庫等多個功能模塊。利用無線網(wǎng)絡(luò)，使控制中心和醫(yī)用制氧化有機(jī)結(jié)合，利用接收模塊將制氧機(jī)的信息進(jìn)行有效的接收，對其實(shí)施全面的分析，同時結(jié)合信息類型的不同，對其進(jìn)行不同的處理，將控制指令向制氧化進(jìn)行傳輸，完成對醫(yī)用制氧機(jī)相應(yīng)的遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用制氧機(jī)的全方位數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

1.2 遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)

在控制中心的計(jì)算機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲。護(hù)士等相關(guān)人員能夠?qū)Ψ?wù)器管理的制氧機(jī)的不同數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽，能夠?qū)o線網(wǎng)絡(luò)中的不同制氧設(shè)備進(jìn)行控制。若制氧機(jī)產(chǎn)生不正常情況時，能及時檢測到并采取相關(guān)措施。

1.3 無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系的實(shí)現(xiàn)

對于醫(yī)用制氧機(jī)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系中主要是以無線網(wǎng)絡(luò)為主，在這之中，其最重要的一個就是Zigbee網(wǎng)關(guān),其主要管理傳感器中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時全面的管理制氧機(jī)設(shè)備的各個節(jié)點(diǎn)。

2 醫(yī)用制氧機(jī)群智能控制系統(tǒng)硬件核心模塊設(shè)計(jì)

在基于無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)用制氧機(jī)群項(xiàng)目中，最核心的部分是低生產(chǎn)成本、技術(shù)成熟的解決方案，搭建起能實(shí)時通訊與控制的無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，市場上無線射頻收發(fā)芯片的類型越來越多，數(shù)量也不斷上漲，工作頻段也有很多，例如2.4GHz、43MHz, 968MHz等?，F(xiàn)在，很多大企業(yè)都集中精力對2.4GHz的Zigbee芯片進(jìn)行研發(fā)。通過多種方案比較，我們最終決定采用CC2420為射頻芯片。

2.1 無線網(wǎng)關(guān)模塊

本文將2.4GHz的射頻收發(fā)器等進(jìn)行應(yīng)用，將其和MCU有機(jī)結(jié)合在一起，使無線網(wǎng)關(guān)的功能設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，使不同芯片的功能得以全面的發(fā)揮出來。MCU與PC機(jī)串口之間的連接使用RS232總線標(biāo)準(zhǔn)，在此選擇MAXIM公司的MAX232接收/發(fā)送器作為控制芯片和PC機(jī)串口串行接口電路，其特點(diǎn)有很多，一是功耗不高，二是單電源。想要使無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通訊的作用得以全面實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)無線網(wǎng)關(guān)的過程中，其接口中有兩種，一是串行接口，二是射頻接口，在這之中，后者主要在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行應(yīng)用，使近距離通信和以實(shí)現(xiàn)，前者主要在與計(jì)算機(jī)的通信中應(yīng)用。

2.2 醫(yī)用制氧機(jī)控制器模塊

圖1：醫(yī)用制氧機(jī)群總體架構(gòu)

這一模塊設(shè)計(jì)重點(diǎn)是接收、傳送數(shù)據(jù)，對出氧量電路進(jìn)行控制，有效的管理終端設(shè)備。對于傳感器來說，其特點(diǎn)也有很多，一是尺寸不大，二是功耗小，三是適應(yīng)能力突出，因此，可以結(jié)合Zigbee協(xié)議的相關(guān)內(nèi)容，其設(shè)備發(fā)射范圍是在0dbm到3.6dbm之間，通信距離在10米到75米間可以對鏈路的情況進(jìn)行檢測，同時結(jié)合檢測的具體情況，可以對發(fā)射功能進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，一方面使通訊質(zhì)量得以確保，使小的能量消耗得以確保。想要使成本得以下降，所以，這一設(shè)計(jì)中將集成度高一些，性價(jià)比高一些的芯片進(jìn)行應(yīng)用，從而對網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本進(jìn)行控制，使MCU和CC2420結(jié)合起來，方是最有效的選擇。

2.3 智能控制中心

這一中心是通過計(jì)算機(jī)組成來實(shí)現(xiàn)的，其最突出的作用就是將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及監(jiān)測，在這個過程中，有效的處理數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行妥善的保存，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和發(fā)送。在使用制氧機(jī)時，控制中心設(shè)備利用無線網(wǎng)絡(luò)將控制指令進(jìn)行傳輸，使傳感器節(jié)點(diǎn)得以開啟，在傳感節(jié)點(diǎn)將指令進(jìn)行獲取時，從而采集制氧機(jī)的不同指標(biāo)，采集完成后，利用無線網(wǎng)絡(luò)，把數(shù)據(jù)向控制中心進(jìn)行反饋。

3 醫(yī)用制氧機(jī)群智能控制系統(tǒng)軟件核心部分設(shè)計(jì)

對于控制系統(tǒng)來說，其工作無異常，只以硬件為主是不行的，必須有軟件的配合方可使控制系統(tǒng)得以形成。對于醫(yī)用制氧機(jī)來說，其智能系統(tǒng)的軟件部分，設(shè)計(jì)內(nèi)容有很多，例如設(shè)計(jì)CC240程序，以及設(shè)計(jì)讀寫程序等等。由于本文篇幅有限，就只此處針對軟件的幾個核心部分在實(shí)現(xiàn)原理與邏輯方面進(jìn)行簡單的描述。

首先，我們簡單分析一下無線網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)原理。對于星型網(wǎng)絡(luò)來說，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有兩個關(guān)鍵點(diǎn)，一是網(wǎng)關(guān)，二是終端。對于無線網(wǎng)關(guān)來說，其工作狀態(tài)有四個方面，一是初始化，二是初始化工作，三是正常啟動，四是正常工作。對于初始化狀態(tài)來說，其主要是網(wǎng)關(guān)的最初情況，在形成網(wǎng)絡(luò)時，一定要有無線網(wǎng)關(guān)，其它所有操作是不可以在此時實(shí)施的。此后開始進(jìn)入初始化工作狀態(tài)，也就是檢索網(wǎng)關(guān)，同時將可用信道進(jìn)行明確，做好建網(wǎng)準(zhǔn)備。倘若建網(wǎng)失敗，那么無線網(wǎng)關(guān)要向最初的狀態(tài)返回，再將進(jìn)行建網(wǎng)。倘若建網(wǎng)沒有失敗，那么就是正常啟動。值得一提的是，初始化新網(wǎng)絡(luò)時，一定要對網(wǎng)絡(luò)初始化的完成情況進(jìn)行監(jiān)測，同時將肯定的回答進(jìn)行獲取，這樣初始化方可結(jié)束。

其次，我們再簡單分析一下控制器模塊的軟件實(shí)現(xiàn)原理。對于控制器模塊來說，其功能有兩個，一是利用數(shù)據(jù)采集來對信號進(jìn)行檢測，同時分析檢測值，將控制參數(shù)進(jìn)行傳送，使自控功能得以實(shí)現(xiàn)；二是能夠和其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)施數(shù)據(jù)效的，也就是我們所說的網(wǎng)絡(luò)通訊。下面，就幾個關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行簡單說明：

（1）智能控制程序設(shè)計(jì)原理：醫(yī)用制氧機(jī)控制器模塊在正常運(yùn)行時，系統(tǒng)會智能的根據(jù)當(dāng)時氧氣的實(shí)時流量、濃度進(jìn)行控制。對于智能流量控制器來說，以流量濃度檢測傳感器為依托，對氧氣流量、濃度值等進(jìn)行檢測，同時可以結(jié)合這一設(shè)定值對其有效的管控。對于氣體流量濃度傳感器來說，能夠?qū)ρ趸牧髁?、濃度等情況進(jìn)行檢測，再把這一數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行對比，倘若兩個數(shù)值是一樣的，那么就意味著其流量與設(shè)計(jì)要求相符合；相反，控制器將信號進(jìn)行傳輸，對控制電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至兩者相同時結(jié)束。

（2）智能流量檢測程序設(shè)計(jì)原理：在設(shè)計(jì)過程中，對氧氣流量的情況進(jìn)行控制，可以將多種智能控制模式進(jìn)行應(yīng)用，任意一種模式與相應(yīng)的流量值是匹配的，將其進(jìn)行設(shè)定，從而使自動調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，從而使流量檢測模塊的作用充分發(fā)揮。同時，對于MCU來說，隔1秒鐘就會將流量值進(jìn)行讀取，使其和設(shè)定值進(jìn)行對比。想要使震動干擾形成的調(diào)節(jié)動作得以避免，就要將延時防擾程序加入進(jìn)來，其延時時間是4秒，然而其產(chǎn)生的流量差值在高于50秒時方可將子程序啟動；否則視為干擾不作處理。倘若將子程序啟動，那么防擾子程序就會停止，前者會對等級范圍進(jìn)行檢測，再隔1秒實(shí)施調(diào)節(jié)，直至與設(shè)計(jì)值相符合為止。

（3）智能調(diào)節(jié)模塊程序設(shè)計(jì)原理：倘若其傳感器出現(xiàn)電信號的情況時，利用負(fù)載電阻將其向電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)變，再向A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳送，MCU把數(shù)字信號和寄存器設(shè)定值進(jìn)行對比，值小一些就意味著氣體流量要小一些，需增大流量;反之，需降低流量?？刂茪怏w流量時，利用交流電能夠?qū)崿F(xiàn)過零檢測。

4 結(jié)論

本文就如何實(shí)現(xiàn)基于無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)用制氧機(jī)群智能控制進(jìn)行了總體框架、核心硬件設(shè)計(jì)部分、軟件實(shí)現(xiàn)原理三個部分進(jìn)行了簡單說明，作者所在單位也通過該技術(shù)解決方案，研發(fā)出新款醫(yī)用制氧機(jī)產(chǎn)品，投入市場后，運(yùn)行穩(wěn)定，解決了用戶在醫(yī)用制氧機(jī)使用過程中的管理問題，并很方便的接入醫(yī)院信息化大數(shù)據(jù)平臺，獲得用戶的一致好評。