一種手術(shù)方艙分區(qū)采集控制溫濕度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋永生 徐韶寧 宋嘉潤

摘 要：適宜的溫濕度在手術(shù)操作中具有重要意義，手術(shù)方艙因?yàn)楣ぷ鞯攸c(diǎn)不確定、環(huán)境復(fù)雜、氣候多變，在溫濕度控制方面難度更高。為更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)手術(shù)方艙的溫濕度控制，以分區(qū)采控、重點(diǎn)突出的理念，研究并設(shè)計(jì)了一種以PIC24FJ64GA002單片機(jī)為核心，基于無線RS 485總線及溫濕度一體化傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)。各分區(qū)溫濕度傳感器將溫濕度等數(shù)據(jù)通過無線485模塊發(fā)送給主控單元，主控單元對接收的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依據(jù)預(yù)設(shè)閾值向溫濕度控制設(shè)備發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，并發(fā)送顯示信息、報(bào)警信息給觸摸液晶顯示屏，以精準(zhǔn)控制手術(shù)方艙各分區(qū)的溫濕度，有效減少手術(shù)并發(fā)癥，有力提高手術(shù)的成功率。

關(guān)鍵詞：PIC24FJ64GA002;串口觸摸屏;無線RS 485;溫濕度;分區(qū)采集;智能調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

手術(shù)方艙具有快速機(jī)動(dòng)性、功能多樣性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)作戰(zhàn)、應(yīng)急救援、衛(wèi)勤保障、安全消防等方面。手術(shù)方艙特種車可以快速抵達(dá)傷病員位置，及時(shí)開展普外科、泌尿外科、肝膽胰外科、骨科、胸外科胸腔引流等早期緊急手術(shù)治療，為黃金救援期內(nèi)展開救護(hù)爭取寶貴時(shí)間。

手術(shù)方艙內(nèi)的手術(shù)環(huán)境溫濕度對手術(shù)的成功率具有至關(guān)重要的作用，手術(shù)室溫濕度必須控制在一定范圍內(nèi)：溫度在22～25 ℃;相對濕度為45%～60%RH。因?yàn)闅夂颉円?、季?jié)、地點(diǎn)的不同，手術(shù)方艙的環(huán)境溫濕度具有較大差異，手術(shù)方艙內(nèi)的溫濕度控制必須具有更好的實(shí)時(shí)性和控制性。

本文采用Microchip 16 bit單片機(jī)PIC24FJ64GA002，基于無線RS 485總線設(shè)計(jì)了一款用于手術(shù)方艙的溫濕度控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是穩(wěn)定可靠、通信實(shí)時(shí)、操作簡單。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

車載設(shè)備必須具備良好的抗干擾能力才能確保設(shè)備的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用485數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證通信穩(wěn)定可靠傳輸。手術(shù)方艙的溫濕度控制要求重點(diǎn)區(qū)域突出管理、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高、控制反應(yīng)靈敏，以確保手術(shù)方艙的溫濕度維持在合理范圍。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了溫濕度的高精度采集與實(shí)時(shí)控制，將方艙劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為1#藥品儲(chǔ)存區(qū)、2#檢查區(qū)、3#手術(shù)區(qū)、4#辦公區(qū)，實(shí)行區(qū)域獨(dú)立采集，綜合控制。

本系統(tǒng)主要由主控單元、溫濕度采集單元、觸摸液晶顯示器組成;主控單元主要實(shí)現(xiàn)溫濕度參數(shù)設(shè)置、溫濕度數(shù)據(jù)分析處理;顯示屏負(fù)責(zé)觸摸按鍵、界面顯示、報(bào)警提示;溫濕度采集單元由溫度傳感器、濕度傳感器及通信單元組成，實(shí)現(xiàn)溫濕度采集和數(shù)據(jù)上傳。

主控單元主要負(fù)責(zé)通過無線RS 485總線實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行區(qū)域溫濕度分析，利用RS 232串行接口向液晶屏發(fā)送溫濕度信息;主控單元在超溫或超濕情況下向液晶屏發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并向車載溫濕度控制設(shè)備發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)溫濕度控制;此外，主控單元還可實(shí)時(shí)接收觸摸顯示屏的按鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。液晶顯示屏負(fù)責(zé)顯示區(qū)域溫濕度、報(bào)警指示和參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面。溫濕度采集單元主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域溫濕度的采集，并通過無線RS 485總線將數(shù)據(jù)上傳到主控單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)采用SA-HT1壁掛式溫濕度變送器實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集。系統(tǒng)采用瑞士SENSIRION溫濕度傳感器，該傳感器具有長期穩(wěn)定性好、全量程溫度補(bǔ)償、傳感器工作溫度范圍寬（-40～100 ℃）等優(yōu)點(diǎn)。濕度量程為0～100%RH，具有低漂移、響應(yīng)速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、寬電壓供電、非線性修正、精度高、接線反向和過壓保護(hù)、限流保護(hù)適用現(xiàn)場、擁有RS 485通信接口等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 主控電路

本系統(tǒng)將Microchip 16位單片機(jī)PIC24FJ64GA002作為主芯片，其具有改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，最高運(yùn)行速度達(dá)16 MIPS，具有17×17位單周期硬件乘法器，32位/16位硬件除法器;具有豐富的外設(shè)端口，如8位并口，SPI，UART，外部中斷，PWM輸出等。該系統(tǒng)中，利用主芯片的2個(gè)串口分別與顯示屏、溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)溫濕度顯示、報(bào)警和溫濕度數(shù)據(jù)采集功能;將8個(gè)I/O管腳作為溫濕度控制設(shè)備的控制信號(hào)，分別控制4個(gè)區(qū)域的溫濕度，電路如圖2所示。

2.3 主控板供電電路

系統(tǒng)采用12 V外部供電，經(jīng)AMS1117-3.3直流電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸出3.3 V電壓為主控板核心電路、串口電路供電，電路如圖3所示。

2.4 無線RS 485通信電路

HD-M805是高速率低功耗高性能無線模塊（以下統(tǒng)稱模塊），模塊設(shè)計(jì)采用高效ISM頻段射頻LoRa擴(kuò)頻芯片，提供了多個(gè)頻道可選擇。模塊可在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率等參數(shù)。HD-M805模塊能夠透明傳輸數(shù)據(jù)，且模塊體積小，支持寬電壓運(yùn)行;傳輸距離遠(yuǎn)，可提供豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。無線RS 485通信模塊如圖4所示。

2.5 觸摸液晶顯示器

DC80480F050_1011_0T是一款5.0寸分辨率為800×480的F系列電阻觸摸組態(tài)串口屏，工作電壓為5～15 V，具有串口TTL232通信接口， 采用32位處理器，支持JPEG圖片壓縮、MP3音頻，存儲(chǔ)容量為64 Mbit，支持JPEG，PNG（半透/全透）壓縮，支持任意大小圖片存儲(chǔ)，擁有按鈕、文本、下拉菜單、進(jìn)度條、滑塊、儀表、動(dòng)畫、二維碼、曲線、數(shù)據(jù)記錄、圓形進(jìn)度條等組態(tài)控件，遵循工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（ESD接觸4 kV、空氣8 kV、醫(yī)療EMI輻射CLASS B等級(jí)）。觸摸液晶顯示器如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，通過串口分別向顯示屏、溫濕度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)判斷各部件工作是否正常。若自檢未通過，則向顯示屏發(fā)送自檢錯(cuò)誤信息，顯示屏顯示相應(yīng)的提示信息;若通過自檢，則對4個(gè)區(qū)域的溫濕度進(jìn)行巡檢，并判斷溫濕度是否正常，如果超過閾值，則向溫濕度設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的電平控制信號(hào)，并向顯示屏發(fā)送報(bào)警指令，顯示屏發(fā)出提示音，顯示預(yù)置畫面。軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收觸摸屏的觸摸按鍵信號(hào)，完成溫濕度閾值參數(shù)的設(shè)置。軟件流程如圖6所示。

為實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)護(hù)，采用溫濕度區(qū)域化管理方案對4個(gè)區(qū)域的溫濕度進(jìn)行閾值設(shè)置，初始默認(rèn)設(shè)置見表1所列。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過對方艙內(nèi)的溫濕度進(jìn)行分區(qū)采集與控制，確保溫濕度滿足手術(shù)的環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域溫度的精準(zhǔn)控制，提高了患者的舒適度，方便醫(yī)生更好發(fā)揮技術(shù)水平，減少細(xì)菌滋長，降低手術(shù)并發(fā)癥，大大提高手術(shù)的成功率。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱志偉，周志光，鮑祖尚.RS 485總線通信系統(tǒng)的可靠性措施[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006，6（3）：68-70.

[2]李榮正.PIC單片機(jī)查表指令安全性分析初探[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004，4（6）：68-69.

[3]毋茂盛，張建平.單片機(jī)原理與開發(fā)[M].北京：高等教育出版社，2015.

[4]陳建新，邵少雄，葛長虹.PIC單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5]王鴻儒，朱宗玖，高澤仁.基于ZigBee的智能環(huán)境污染信息采集系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018， 8（10）：19-20.

[6]廖偉，葉應(yīng)龍，張宇生，等.室內(nèi)空氣監(jiān)測凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（11）：36-38.

[7]康琳，董增壽，祁艷杰.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集算法研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（3）：81-83.

[8]沈紅星.一種基于RS 485總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003，3（6）：68-70.

[9]劉春生，郭文成.零延時(shí)隔離技術(shù)的RS 485總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009，9（11）：26-28.

[10]何此昂，鄧穎.Microchip PIC24系列單片機(jī)原理與程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2011.