手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制的研究與應(yīng)用

盧沛成

（廣州市花都區(qū)胡忠醫(yī)院，廣東廣州 510800）

0 引言

自動(dòng)門(mén)的智能化控制是系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的成果，也是門(mén)類(lèi)設(shè)備發(fā)展的主要方向。在醫(yī)院手術(shù)室門(mén)類(lèi)控制的過(guò)程中，為防止接觸手術(shù)室門(mén)導(dǎo)致的細(xì)菌帶入，加強(qiáng)對(duì)手術(shù)室內(nèi)部環(huán)境的潔凈化處置力度，自動(dòng)門(mén)的智能控制開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。在醫(yī)院手術(shù)室自動(dòng)門(mén)的智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的過(guò)程中，不僅要求區(qū)域消毒化處理，同時(shí)要保證自動(dòng)門(mén)的控制邏輯性，保障進(jìn)出醫(yī)務(wù)和患者的安全性，為實(shí)現(xiàn)醫(yī)院自動(dòng)門(mén)的出入無(wú)接觸，滿(mǎn)足醫(yī)院患者及醫(yī)護(hù)人員的使用需求。

1 手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制過(guò)程及要求

手術(shù)室自動(dòng)門(mén)要經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂婆c設(shè)計(jì)，要求做到潔凈整潔、密封性好等，自動(dòng)門(mén)的啟閉要平穩(wěn)化、操作便捷順暢性、安全可靠化等，不僅要滿(mǎn)足自動(dòng)門(mén)控制的氣密性，同時(shí)要滿(mǎn)足智能化的系統(tǒng)控制[1]。

在自動(dòng)門(mén)智能化總體設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)要求中，要滿(mǎn)足以下需求：①要選擇質(zhì)量有保證、使用過(guò)程穩(wěn)定、可靠的自動(dòng)門(mén)控制體系及結(jié)構(gòu)；②要依據(jù)使用需求，使用手術(shù)室類(lèi)別及環(huán)境等，選擇平移式自動(dòng)門(mén)，因?yàn)槠揭谱詣?dòng)門(mén)更加嚴(yán)謹(jǐn)、嚴(yán)密，在材質(zhì)的選擇上，通常選擇使用鋁制或者不銹鋼材質(zhì)；③在使用的功能上，要依據(jù)安全防夾安裝機(jī)制為主，確保行人安全，提高手術(shù)醫(yī)治效率化。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)手術(shù)室智能化控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)流程包括有PLC 電氣控制系統(tǒng)的選型主要包括PLC 控制系統(tǒng)的硬件選型與配置、軟件的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行三部分組成。在PLC 電氣控制選型的過(guò)程中，主要針對(duì)電源模塊、CPU、接口模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行選型，例如電源模塊選擇使用型號(hào)PS 60W120/230 V AC/DC，品牌選擇SIEMENS；再例如CPU 選擇型號(hào)CPU 1516-3 PN/DP；接口模塊選擇使用型號(hào)IM 155-5 PN ST 等。在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)首先按照手術(shù)室自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的分析，按照主電機(jī)的工作方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)電機(jī)的速度、自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行分析，并將作業(yè)過(guò)程中的故障進(jìn)行反饋，并由PLC 電氣控制系統(tǒng)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)[2]。

2 手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制硬件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要以定時(shí)時(shí)間電器的控制、PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)、馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，以STC89C52 單片機(jī)作業(yè)功能中的超聲波測(cè)距為主，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)化作業(yè)，各系統(tǒng)作業(yè)流程如下：

時(shí)間繼電器→控制通斷→電源→驅(qū)動(dòng)→馬達(dá)插銷(xiāo)裝置→控制→手術(shù)室自動(dòng)門(mén)→距離反饋→超聲波測(cè)距裝置→結(jié)果對(duì)比分析→是否發(fā)出警報(bào)信息。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要依據(jù)實(shí)際需求和結(jié)合系統(tǒng)模塊功能，并依據(jù)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象進(jìn)行全面考慮，對(duì)時(shí)間繼電器系統(tǒng)中的定時(shí)功能進(jìn)行細(xì)化，如直流馬達(dá)的功率、齒輪齒條的結(jié)構(gòu)、單片機(jī)作用模塊等，有效實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)精確，提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性、經(jīng)濟(jì)性。

2.2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 時(shí)間繼電器

相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，按照繼電器對(duì)應(yīng)芯片結(jié)構(gòu)，如STC15F204EA 的芯片為設(shè)計(jì)核心，從而建立對(duì)應(yīng)靜態(tài)共陰極數(shù)碼管結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行工作，另外要對(duì)輸入電路系統(tǒng)中所使用的P28-1 光耦數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離，并輸出數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)三極管繼電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。自動(dòng)門(mén)的電流設(shè)計(jì)控制在50 mA 的范圍內(nèi)，輸入電壓控制在3.6～5 V[3]。

對(duì)應(yīng)繼電器系統(tǒng)在通電運(yùn)行后，對(duì)應(yīng)設(shè)備裝置初始化后，可依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取分析，如EEROM 中的動(dòng)作指令分析，同時(shí)可依據(jù)用戶(hù)信息的控制，通過(guò)次數(shù)的累計(jì)及待機(jī)狀態(tài)下的無(wú)限指令的執(zhí)行，促進(jìn)和保障啟動(dòng)信息后的PC 聯(lián)機(jī)狀態(tài)，并利用PC 端向繼電器系統(tǒng)發(fā)出對(duì)應(yīng)的執(zhí)行命令。

2.2.2 馬達(dá)智能控制

首先通過(guò)導(dǎo)線連接對(duì)應(yīng)馬達(dá)電極，并通過(guò)各自的引導(dǎo)線，用以連接對(duì)應(yīng)適配器系統(tǒng)，其中在適配器中的正負(fù)極中可任意連接馬達(dá)的兩級(jí)，并實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)，適配器的正負(fù)極與適配器的另一型號(hào)兩級(jí)接法相反，可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)限制回路的方向截止特性的分析。利用二級(jí)管可對(duì)回路進(jìn)行有效的限制，同時(shí)對(duì)應(yīng)適配器結(jié)構(gòu)在回路的過(guò)程中，應(yīng)防止短路。在適配器系統(tǒng)中，應(yīng)充分的結(jié)合負(fù)極系統(tǒng)中的330 R 電阻使用，不僅有效的實(shí)現(xiàn)緩沖電流作用，還能同時(shí)應(yīng)對(duì)二極管路系統(tǒng)中的過(guò)流燒壞二極管現(xiàn)象，并進(jìn)行有效處置。

2.3 智能感應(yīng)設(shè)計(jì)

2.3.1 光電開(kāi)關(guān)模塊

紅外線光電開(kāi)關(guān)選擇使用的是接近可見(jiàn)光的近紅外線，由于紅外線屬于一種電磁射線，同時(shí)其主要特征與無(wú)線、X 射線等同。人類(lèi)肉眼可見(jiàn)光波為380～780 nm，對(duì)應(yīng)可發(fā)射波長(zhǎng)為780 mm～1 mm，此波長(zhǎng)范圍內(nèi)圍紅外線。

光電開(kāi)關(guān)及光電感應(yīng)器，從定義上看，其是光電接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，當(dāng)存在物體遮擋紅外光線時(shí)，同步回路選擇通關(guān)，并檢測(cè)是否有遮擋物體存在，物體的選擇上不限于金屬，其對(duì)產(chǎn)生的所有具備反射光線的物體均可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。依據(jù)檢測(cè)方式的不通過(guò)，光電開(kāi)關(guān)的分類(lèi)主要包含：漫反射式光電開(kāi)關(guān)、鏡反射式光電開(kāi)關(guān)、對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、槽氏光電開(kāi)關(guān)、光纖式光電開(kāi)關(guān)等。

2.3.2 超聲波測(cè)距

對(duì)應(yīng)的手術(shù)室自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)中，主要分為軟件和硬件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)主要包含有4 位對(duì)應(yīng)數(shù)碼管結(jié)構(gòu)3 個(gè)，HC-SR04 超聲波模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等。電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主要包含有超聲波傳感器、蜂鳴器發(fā)生電路系統(tǒng)、PLC 單片機(jī)處理系統(tǒng)，通過(guò)軟件系統(tǒng)中的讀寫(xiě)能力，實(shí)現(xiàn)超聲波的測(cè)距系統(tǒng)控制，在系統(tǒng)中，主要以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制為主，完善手術(shù)門(mén)的自動(dòng)化應(yīng)用。單片機(jī)是超聲波測(cè)距系統(tǒng)中最為核心的結(jié)構(gòu)部件，以單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用為主，將HC-SR04 單元作為數(shù)據(jù)采集主體，如果超聲波測(cè)出的距離小于程序設(shè)定的最小距離值時(shí)，主控芯片系統(tǒng)則將所測(cè)得的數(shù)據(jù)與程序設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

在圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可通過(guò)自動(dòng)門(mén)的門(mén)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能反饋機(jī)制中的相關(guān)聯(lián)裝置的應(yīng)用，其中主要以STC89C52單片機(jī)為工作處理器核心，HC-SR04 為輔助器件，它是一種相對(duì)新穎化、智能化、可視化的超聲波探測(cè)裝置，配合光電開(kāi)頭，不僅能夠通過(guò)非接觸的方式測(cè)出前方或者后方的障礙，同時(shí)能夠依據(jù)用戶(hù)和環(huán)境的需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)安全報(bào)警數(shù)值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)中有關(guān)裝置的相互協(xié)調(diào)及應(yīng)用，進(jìn)而達(dá)到智能化、合理化處置，同時(shí)可對(duì)手術(shù)室的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全保障，促進(jìn)手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制系統(tǒng)的精確運(yùn)行及管理。

此外，手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能化系統(tǒng)中還具備抗干擾性能，在繼電器斷開(kāi)后產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾系統(tǒng)，并利用電路板中的IC 對(duì)抗電源的干擾，噪聲對(duì)單片機(jī)I/O 串口的影響以及電路系統(tǒng)中的數(shù)字型號(hào)與模擬信號(hào)的相互干擾等。應(yīng)做好相應(yīng)抗干擾的設(shè)計(jì)策略：在繼電器線圈回路系統(tǒng)中可增加相應(yīng)觸點(diǎn)兩極系統(tǒng)，同時(shí)針對(duì)觸點(diǎn)兩端的使用系統(tǒng)，構(gòu)建串聯(lián)電路的電阻。

3 智能控制程序設(shè)計(jì)

①探究自動(dòng)門(mén)智能化控制工藝設(shè)計(jì)的條件、標(biāo)準(zhǔn)及控制方式，確定I/O 設(shè)備。依據(jù)自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)總體功能要求，確定輸入、輸出及軟件設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也包含開(kāi)關(guān)、指示燈及接觸器等；②選擇合適的PLC，確定PLC 型號(hào)的輸入及輸出點(diǎn)，編輯IO 分配表格及接線圖，并按照梯形圖形式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。按照程序的輸入進(jìn)行PLC 軟件測(cè)試，促進(jìn)系統(tǒng)更加完善；③對(duì)PLC 軟件進(jìn)行有效的軟件測(cè)試，反復(fù)測(cè)試，找出軟件設(shè)計(jì)的缺陷，及時(shí)修改，直到設(shè)備流程符合使用需求為止。

4 手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制的應(yīng)用

可在醫(yī)院大門(mén)安裝智能自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)，因?yàn)獒t(yī)院大門(mén)是病患必須接觸的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因此為減少病毒感染幾率，應(yīng)撤下卷簾，采取自動(dòng)門(mén)的設(shè)計(jì)形式，減少交叉感染的概率[4]。

醫(yī)用密閉自動(dòng)門(mén)的應(yīng)用。此類(lèi)自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)參數(shù)包含有X、β、γ 射線，防靜電、保溫及傳熱阻值等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件，防止非控制力開(kāi)門(mén)、規(guī)定最小的鎖緊力等。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)醫(yī)院手術(shù)室自動(dòng)門(mén)智能控制系統(tǒng)的研究，對(duì)手術(shù)室自動(dòng)門(mén)的開(kāi)與關(guān)狀態(tài)的研發(fā)有了更加深入的了解，由于相關(guān)研究系統(tǒng)的應(yīng)用層次性較為單一，因此在日后的醫(yī)院自動(dòng)門(mén)智能化控制系統(tǒng)的研究中，應(yīng)充分的結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)際需求，加裝更加高級(jí)的裝置，并匹配有效的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)軟件，以保障醫(yī)院手術(shù)室自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)用功能的不斷完善。