呼吸機管路溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)

陳旭創(chuàng)，龍碧連，潘遠文，許旭光 （通信作者）

佛山市第一人民醫(yī)院 1 醫(yī)療設備科，2 鼻咽喉頭頸外科 （廣東佛山 528000）

呼吸機患者回路的溫濕度控制對呼吸系統(tǒng)疾病患者的治療起著至關重要的作用，溫濕度過高或過低都會對患者的恢復造成影響[1-2]。目前，臨床關于溫濕度傳感器與無線通信技術相結合的呼吸機患者回路無線溫濕度監(jiān)控方面的研究較少[3-4]。傳統(tǒng)呼吸機患者回路的溫濕度控制是通過外置簡易溫濕度發(fā)生器來實現(xiàn)，通過濕化器內加入蒸餾水進行檔位控制，該方法具有溫濕度監(jiān)測靈敏度低、反應慢、冷凝水多、有線溫度探頭容易斷裂等缺點。

本研究設計了一種呼吸機患者回路溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)濕化器的基礎上，采用基于Zigbee無線通信技術的射頻收發(fā)器CC2530芯片[5-6]、Sensirion公司的SHT35溫濕度傳感器[7]、陶瓷霧化片和加熱絲構建監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)對患者回路溫濕度的無線精確采集與控制，該系統(tǒng)具有不受環(huán)境條件制約、靈敏度高、容易擴展、維修方便等優(yōu)點，有助于提升使用呼吸機患者的治療效果。

1 系統(tǒng)架構設計

本系統(tǒng)是基于Zigbee無線通信技術的呼吸機患者回路溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其整體架構見圖1。系統(tǒng)架構分為控制和采集2個部分，控制部分（圖1濕化裝置）主要包括控制端的主機芯片CC2530和3.3 V、5 V、12 V電源模塊，以及OLED顯示模塊、溫濕度控制模塊、溫濕度報警模塊；采集部分（圖1溫濕度傳感器）主要包括采集端的從機CC2530芯片、3.3 V電源模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鋰電池。

圖1 系統(tǒng)整體架構

2 系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)硬件電路包括控制端電路和采集端電路。系統(tǒng)硬件模塊框架：3.3 V電源模塊為主從單片機供電，溫濕度監(jiān)測模塊監(jiān)測呼吸機患者回路的溫濕度并轉化為數(shù)字信號；具有收發(fā)功能的采集端從機CC2530無線通信模塊將信息發(fā)送給控制端主機，主機根據(jù)設計將信息發(fā)送給OLED顯示模塊[8]，并通過溫濕度控制模塊控制霧化片、加熱絲實現(xiàn)對溫濕度的調控，見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊框架

2.1 控制端電路設計

控制端電路（圖3）是在傳統(tǒng)濕化器基礎上進行設計的，主要包括CC2530的基礎外圍電路、OLED顯示電路、霧化片驅動電路、加熱絲驅動電路、Buzzer報警電路，以及將AC220轉成DC 12 V降壓成5 V再降壓成3.3 V的一系列電源電路。

如圖3的U1所示，CC2530的40引腳（DCOUPL）通過去耦電容C14 （1uF）可以提供一個比較穩(wěn)定的1.8 V去耦電壓；32、33腳使用C15、C16及晶振Y2（XTAL）構成32.768 kHz的輔助晶振電路；30引腳（RBIAS）連接一個56 kΩ的偏置電阻，為晶振提供合適的工作電流；而32 MHz的主晶振電路是由23、22腳的C17、C18及晶振Y1（XTAL）構成；20引腳（RESET）通過網絡符號連接了按鍵開關S3和電容C21構成一個復位電路；26引腳（RF_N）負責收發(fā)負向射頻信號，25引腳（RF_P）負責收發(fā)正向射頻信號，該端口由C10、C12、L2和L3組成的不平衡變壓器以及C19、C13和C11組成的π型LC濾波器和天線之間達到最佳的阻抗匹配。

圖3 控制端電路原理

霧化片驅動電路由DC 12 V供電，CC2530芯片的P0_3/INC引腳下降沿有效，允許調節(jié)數(shù)字電位器X9C104、P0_2/U/D引腳高低電平變化調節(jié)輸出電阻值Rw，以此來控制Y1霧化片兩端的電壓OUT+、OUT-達到控制霧化量的大小；干簧管用于監(jiān)測濕化瓶液位高低并產生中斷防止干燒；加熱絲電路由DC 5 V供電，通過P2_0口產生間斷的低電平信號，經過光電隔離MOC3021控制三端雙向可控硅驅動加熱絲工作。

2.2 采集端電路設計

采集端電路（圖4）主要包括CC2530的基礎外圍電路、SHT35溫濕度傳感器的外圍電路、DC 3.7 V鋰電池轉換DC 3.3 V供芯片的電源電路。傳感器電路設計見圖4中的U2,其SDA引腳本質上是一個三態(tài)門，用于實現(xiàn)CC2530和SHT35傳感器之間的串行數(shù)據(jù)讀??；引腳SDA上的狀態(tài)由引腳SCL上的串行時鐘控制；在傳輸數(shù)據(jù)和發(fā)送指令數(shù)據(jù)過程中，為防止發(fā)生沖突，CC2530需要驅動SDA處于低電平狀態(tài)，并且通過在SDA引腳上加上一個10 kΩ的上拉電阻將電平信號上拉至高電平；傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過SDA引腳送入CC2530的P0_5口；SCL引腳與CC2530的P0_6口連接提供系統(tǒng)時鐘。

圖4 采集端電路原理

3 系統(tǒng)軟件電路設計

軟件系統(tǒng)部分的設計重點是Zigbee無線通信、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集、OLED屏顯示、溫濕度控制、報警控制等的代碼實現(xiàn)。本研究軟件開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051，Zigbee的協(xié)議棧為TI的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，使用C語言進行編程實現(xiàn)本系統(tǒng)的應用程序代碼，利用SmartRF Flash Programmer軟件下載程序，使用串口調試軟件sscom32進行傳感網絡數(shù)據(jù)采集實驗。

軟件系統(tǒng)整體運行流程（圖5）：控制端和采集端系統(tǒng)上電，執(zhí)行延時程序穩(wěn)定系統(tǒng)，進行系統(tǒng)初始化（包括CC2530芯片初始化、IIC初始化、SHT35溫度傳感器初始化、OLED初始化等）；采集端CC2530芯片執(zhí)行寫IIC Address命令和16 bit Fetch Data 命令，SHT35收到命令后返回6個字節(jié)的數(shù)組（包括16位溫度、16位濕度、8位溫度crc校驗、8位濕度crc校驗）；解析數(shù)組得到溫濕度信息并發(fā)送給控制端，控制端經過報警上下限判斷溫濕度高低，并執(zhí)行相應的控制程序驅動霧化片，最后將采集到的相關信息顯示到OLED屏上面。

本系統(tǒng)軟件程序中的自動讀取溫濕度部分程序代碼，如下：

SHT3X_Init(0x44);//傳感器初始化

IIC_Init(); //IIC 初始化

圖5 軟件系統(tǒng)的整體流程

// wait 50ms after power on 開機后50ms的延時

DelayMicroSeconds(50000);

HalLcdInit(); //oled 初始化

LCD_CLS(); //清屏

LCD_welcome(); //歡迎界面

SHT3x_ReadSerialNumber(&serialNumber); //讀取系列號

SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_CLKSTRETCH, 50);

SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_POLLING, 50);

while(1)

SHT3X_ReadStatus(&status.u16);

//以高重復性和每秒1次測量開始定期測量

SHT3X_StartPeriodicMeasurment(REPEATAB_HIGH,FREQUENCY_1HZ);

//讀取測量緩沖區(qū)

error == SHT3X_ReadMeasurementBuffer(&temperature,&humidity);

if(error == NO_ERROR)

{

sprintf(Temp_str,"%.2f",( (float)(int)((temperature+0.005)*100 ) ) /100);

sprintf(Humi_str,"%.2f",( (float)(int)( (humidity+0.005)*100) ) /100);

LCD_P8x16Str(8, 0, " Pipe Temp&Humi");

LCD_P8x16Str(8, 2, "Loading per 1 s");

LCD_P8x16Str(10, 4,"Temp:");

LCD_P8x16Str(54, 4,Temp_str);

LCD_P8x16Str(100, 4,"C");

LCD_P8x16Str(10, 6,"Humi:");

LCD_P8x16Str(54, 6,Humi_str);

LCD_P8x16Str(100, 6,"%RH");

}

DelayMicroSeconds(300000);

}

4 測試結果

將設計實物應用于呼吸機PB840（Tyco Healthcare公司的PURITAN BENNETT系列呼吸機）上，將呼吸機置于溫度24 ℃、相對濕度56%RH的環(huán)境中，使用中央供應空氧氣體；呼吸機參數(shù)設置為A/C模式，呼吸頻率16次/min，使用21%的空氣進行測試。

根據(jù)臨床的呼吸系統(tǒng)疾病患者使用情況，在患者呼氣期間進行溫濕度控制，傳感器測試點設置在Y型口處，見圖6。5組測量值見表1。

圖6 測試實物

表1 呼吸回路溫濕度設置值和測量值

我們將系統(tǒng)硬件應用于PB840呼吸機的患者回路，將各部分硬件模塊進行連接，系統(tǒng)上電開機，經過一段時間穩(wěn)定后，系統(tǒng)可自動獲取溫濕度數(shù)據(jù)[9-10]，OLED屏顯示溫濕度結果；先進行溫度監(jiān)控，獲取表1左側溫度數(shù)據(jù)，最大誤差不超過0.16%；再將溫度控制在37 ℃，經過多次測量求均值，發(fā)現(xiàn)測量所得濕度數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，最大誤差不超過0.22%RH；最后經過多次調試，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以滿足臨床應用需求。

5 結論

本研究基于臨床對呼吸機患者回路溫濕度監(jiān)控的需求，結合文獻綜合研究法，設計基于Zigbee無線通信技術的呼吸機患者回路溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對呼吸機患者回路溫濕度的精確監(jiān)測，可有效控制患者回路的溫濕度值，為呼吸系統(tǒng)疾病患者提供最佳的輔助治療方案，并有效避免了傳統(tǒng)溫濕度傳感器有線易損、測量不精確、速度慢的缺點[11-12]。該系統(tǒng)以最新的高速度、高精度的SHT35傳感器為基礎，可以作為經典案例供同行參考，其優(yōu)點是溫濕度監(jiān)測精度高、反應快、價格低廉、組網快捷。測試結果表明，該系統(tǒng)可以滿足臨床對于呼吸管路溫濕度監(jiān)控的需求，降低了維護成本，并能長時間穩(wěn)定工作，具有較高的實用價值。但是，該系統(tǒng)在溫濕度控制方面仍需要進行改進，下一步是將控制端、采集端模塊進行外形設計，以便能夠更好地應用于臨床，并從呼吸機患者回路溫濕度監(jiān)控智能化、局域網絡化、手機APP多節(jié)點控制等方面進行研究。