基于ARM嵌入式的醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

郭堂偉, 周 涵, 俞 嘯， 陽 媛

(1.宿遷市第一人民醫(yī)院 信息處，江蘇 宿遷 223800；2.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210018)

0 引言

醫(yī)療水平的快速發(fā)展使得人們對(duì)醫(yī)院空氣質(zhì)量提出了更高的要求[1]。良好的空氣質(zhì)量是安全就醫(yī)的前提條件，因此，如何有效進(jìn)行醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)是當(dāng)前空氣質(zhì)量檢測(cè)面臨的主要問題。

對(duì)于醫(yī)院空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的研究，已有許多學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，相繼提出了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法和檢測(cè)工具。首先，就檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)來說，國(guó)際檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為“GREEN GUIDE for Health Care”[2]，而國(guó)內(nèi)醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)需要參考《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 18882-2002標(biāo)準(zhǔn)[3]。其次，在檢測(cè)方法方面，傳統(tǒng)的醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)依靠醫(yī)院職工定期進(jìn)行檢測(cè)，存在檢驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、缺少時(shí)效性等問題。最后，傳統(tǒng)的檢測(cè)工具多為便攜式移動(dòng)設(shè)備[4]，而檢測(cè)結(jié)果與人員流動(dòng)密切相關(guān)，相關(guān)檢測(cè)參數(shù)隨著密度、濃度不同發(fā)生變化，因此傳統(tǒng)的檢測(cè)工具存在檢測(cè)誤差較大問題。

考慮到當(dāng)前醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)需求，本文設(shè)計(jì)并研發(fā)了一種基于ARM(advanced RISC machine)和Lora(long range radio)的醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)最根本的目的是通過對(duì)醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，降低醫(yī)院相關(guān)病例的感染率和發(fā)病率，并根據(jù)檢測(cè)出的不同空氣污染程度，合理安排消毒滅菌計(jì)劃，加強(qiáng)消毒管理和醫(yī)院環(huán)境質(zhì)量控制。同時(shí)，該系統(tǒng)通過Lora無線通信技術(shù)實(shí)時(shí)地將檢測(cè)結(jié)果上傳至上位機(jī)，使醫(yī)務(wù)人員能夠及時(shí)地了解醫(yī)院室內(nèi)各區(qū)域的空氣質(zhì)量情況?？偟膩碚f，本文提出的空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量檢測(cè)方式，大大減少了人力、物力的消耗，能夠有效提高醫(yī)護(hù)人員預(yù)防和控制醫(yī)院感染的認(rèn)知，減少了因空氣污染導(dǎo)致的二次感染、交叉感染情況的出現(xiàn)，確保了醫(yī)院消毒工作的系統(tǒng)化、規(guī)范化、合理化。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)要求

醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)包含兩步，第一步將所采集的指標(biāo)與其標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行對(duì)比判斷；第二步得出檢測(cè)結(jié)論。溫濕度、一氧化碳和二氧化碳等空氣質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)存在一定范圍。具體范圍如表1所示。

表1 相關(guān)檢測(cè)參數(shù)范圍

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

為滿足基于ARM和Lora的醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)目標(biāo)：

1)實(shí)時(shí)性：當(dāng)前多數(shù)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)性差、報(bào)錯(cuò)率高等問題。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮實(shí)時(shí)性，保證醫(yī)務(wù)人員快速了解空氣質(zhì)量情況，并對(duì)污染區(qū)域及時(shí)進(jìn)行消毒，避免出現(xiàn)二次感染、交叉感染現(xiàn)象。

2)高靈敏度、高精度：傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備無法準(zhǔn)確檢測(cè)醫(yī)院空氣中的每種病菌和污染物，檢測(cè)結(jié)果具有不準(zhǔn)確性，因此，需要提高檢測(cè)設(shè)備的靈敏度和精度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，針對(duì)不同參數(shù)配置不同的傳感器，如DTH11傳感器、MQ-7傳感器、CCS811傳感器以及SDS011傳感器，分別對(duì)不同目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，并在有限時(shí)間內(nèi)報(bào)告空氣質(zhì)量情況，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

3)模塊化：系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層化與模塊化思想，不同的模塊功能不同，各模塊獨(dú)立運(yùn)行的同時(shí)按照流程整合檢測(cè)結(jié)果。模塊化設(shè)計(jì)可以保障醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的高效性。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能分析

為充分利用現(xiàn)有資源，減少系統(tǒng)測(cè)試、設(shè)備測(cè)試過程中各種人力物力的消耗，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)系統(tǒng)中各功能模塊能夠獨(dú)立運(yùn)行，某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)報(bào)錯(cuò)，剩余模塊不受影響。

2)能夠滿足醫(yī)院室內(nèi)不同環(huán)境和區(qū)域的測(cè)試需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能。

3)自動(dòng)生成空氣質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。

1.4 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

為滿足醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)需求，進(jìn)一步解決因空氣污染導(dǎo)致的二次感染和交叉感染的問題，本文采用模塊化和層次化設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了一種基于ARM和Lora的醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)共分為3個(gè)模塊，包括主控模塊、采集模塊和通信模塊。本節(jié)將具體闡述這3個(gè)模塊的功能作用。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1)主控模塊：該模塊負(fù)責(zé)處理并顯示傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，提供終端控制與傳感器控制功能。傳感器節(jié)點(diǎn)主控實(shí)現(xiàn)不同傳感器模塊的協(xié)議并采集傳感器數(shù)據(jù)，然后通過無線通信模塊發(fā)送到系統(tǒng)終端主控。

2)采集模塊：該模塊中包含4個(gè)子模塊，分別是溫濕度采集模塊、CO濃度采集模塊、CO2濃度采集模塊和顆粒物濃度采集模塊，每個(gè)模塊在不同的供電電壓和引腳下利用內(nèi)置的傳感器對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，采集結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，作為空氣質(zhì)量評(píng)判的依據(jù)。

3)通信模塊：該模塊采用Lora無線通信標(biāo)準(zhǔn)，在資源能耗低的前提下，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)距離無線信號(hào)的傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)由主控模塊、采集模塊和通信模塊三部分組成。主控模塊主要負(fù)責(zé)控制終端與傳感器；采集模塊負(fù)責(zé)收集系統(tǒng)所需參數(shù)；通信模塊負(fù)責(zé)信息傳輸和顯示?？傮w系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體硬件架構(gòu)

2.1 主控模塊

主控模塊的硬件構(gòu)成有上位機(jī)和下位機(jī)。上位機(jī)以ARM為處理器架構(gòu)，具體型號(hào)為IMX6UL，主要負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。下位機(jī)是一個(gè)基于STM32、型號(hào)為STM32F103VET6的單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)傳感器驅(qū)動(dòng)初始化并采集傳感器的原始數(shù)據(jù)。

IMX6UL芯片是上位機(jī)的核心處理器，它采用Cortex-A7作為CPU核心，主頻最高528 MHz，相比Cortex-M系列核心性能更強(qiáng)，而且相較于同系列的Cortex-A9核心在同性能的情況下功耗更低[5]。芯片支持DDR2和DDR3兩種內(nèi)存，并且支持Linux系統(tǒng)，擴(kuò)展性能強(qiáng)大。STM32F103VET6芯片是下位機(jī)的核心處理器，相比傳統(tǒng)單片機(jī)的8位CPU，Cortex-M3內(nèi)核擁有更好的性能，更加豐富的外設(shè)接口，例如SPI、I2C、CAN等接口，引出的GPIO數(shù)量更多，資源更豐富。

2.2 采集模塊

采集模塊包括溫濕度信號(hào)采集子模塊、CO濃度采集子模塊、二氧化碳濃度采集子模塊和顆粒物濃度采集子模塊。

溫濕度信號(hào)子模塊的硬件主要由DTH11溫濕度傳感器構(gòu)成。該傳感器包括電阻感濕元件、NTC測(cè)溫電阻和8位的MCU(micro control unit)。電阻感濕元件由金屬氧化物或者半導(dǎo)體所制成，電阻值在吸濕和脫濕過程中發(fā)生變化，電流在電壓一定情況下，能夠隨阻值變化而變化[6]。NTC測(cè)溫元件由多種金屬氧化物燒結(jié)組成，可以根據(jù)電流的變化來確定溫度的變化。

CO濃度采集子模塊由MQ-7傳感器構(gòu)成，該傳感器的主要元件包括由二氧化錫所制成的薄膜電阻和負(fù)責(zé)加熱薄膜電阻的加熱線圈。當(dāng)CO經(jīng)過由活性炭或者其他多孔吸附材料后到達(dá)被加熱線圈加熱的二氧化錫薄膜電阻，二氧化錫催化CO分解，同時(shí)自己的阻值也因?yàn)榉纸夂蟮漠a(chǎn)物而發(fā)生改變。

二氧化碳濃度采集子模塊依賴由金屬氧化物燒結(jié)而成的微型氣敏元件。該元件采用3.3 V供電，使用I2C通信協(xié)議作為通信接口，CO2經(jīng)過通電的金屬氧化物溝槽和加熱器線圈時(shí)，導(dǎo)電率和阻值會(huì)發(fā)生變化，借助阻值的變化，根據(jù)氣體濃度與阻值變化曲線圖就能夠得出此時(shí)的檢測(cè)氣體濃度。

顆粒物濃度采集子模塊選擇SDS011為傳感器，該傳感器包括TXD、RXD、GND、VCC和PWM引腳。TXD和RXD分別為串口的發(fā)送和接收引腳；GND和VCC為傳感器的電源接口；PWM引腳主要輸出以PWM形式所表示的顆粒物濃度。顆粒物濃度采集子模塊通過傳感器自帶的渦輪風(fēng)扇將周圍空氣吸入至激光散射區(qū)，MCU根據(jù)散射波長(zhǎng)的不同進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，最后將結(jié)果以串口和PWM信號(hào)輸出。

2.3 通信模塊

醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)把Lora無線通信技術(shù)作為通信模塊協(xié)議內(nèi)容。Lora最大的優(yōu)點(diǎn)是在低功耗的前提下做到遠(yuǎn)距離無線信號(hào)傳輸，相比傳統(tǒng)的無線通信在同樣功耗下傳輸距離提高了3～6倍。Lora支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和集中器組網(wǎng)通信協(xié)議[7-8]。Lora配置參數(shù)主要有：串口波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位、速率等級(jí)、信道和目標(biāo)地址，常用命令如表2所示。

表2 配置Lora常用AT指令

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括軟件環(huán)境和模塊設(shè)計(jì)軟件兩部分。接下來，將具體描述這兩部分的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1 軟件環(huán)境

基于嵌入式的醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)具體的軟件開發(fā)所使用的環(huán)境有：在Windows環(huán)境下的Keil5和在Ubuntu環(huán)境下的VSCode(Visual Studio Code)。上位機(jī)采用IMX6UL芯片以及開發(fā)板采用Linux作為操作系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)交互界面。Linux是一種基于文件的操作系統(tǒng)，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)工具、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，即醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)利用Linux對(duì)相關(guān)設(shè)備文件進(jìn)行讀寫操作，同時(shí)利用樹概念，將設(shè)備文件信息都存在一個(gè)以dts結(jié)尾的文件中，只需要更改設(shè)備樹文件信息即可添加新的設(shè)備信息，為檢測(cè)人員提供便捷的文件編寫功能，有效降低操作復(fù)雜性。

3.2 模塊設(shè)計(jì)軟件

此部分主要包括STM32初始化、串口初始化與運(yùn)行兩部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示。

3.2.1 STM32初始化

STM32F103芯片是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行核心，必須在主程序運(yùn)行之前對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化設(shè)置操作主要包括ADC初始、時(shí)鐘初始設(shè)置、能嵌套的中斷優(yōu)先級(jí)別設(shè)置、定時(shí)結(jié)束器TIM2配置、多個(gè)串口配置、GPIO引腳配置、DMA初始化、USART配置、I2C接口初始化等。具體STM32初始化流程如圖3所示。

圖3 STM32初始化流程

3.2.2 串口初始化與運(yùn)行

醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線通信模塊需要自主配置后才能使用，具體配置內(nèi)容需要自定義AT指令。具體配置調(diào)試過程為：首先安裝CH340G芯片，連接模塊；然后打開串口調(diào)試助手，使用HEX發(fā)送“+++”進(jìn)入配置模式，OK表示設(shè)置成功；最后全部設(shè)置完成后使用AT+ENTM指令推出設(shè)置模式，并重啟模塊[9-10]。

另外，下位機(jī)只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，不需要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示部分，因此下位機(jī)在程序設(shè)計(jì)時(shí)采用無操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照程序順序執(zhí)行，存在數(shù)據(jù)采集缺失情況。為解決這個(gè)問題，醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)在主程序中添加一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體模塊。其中，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都有一個(gè)數(shù)據(jù)標(biāo)志位，當(dāng)數(shù)據(jù)標(biāo)志位全部被標(biāo)記為數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入時(shí)，使用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口無線通信模塊。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，本文還對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試是將已經(jīng)確認(rèn)的軟件、硬件、外圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等其他元素結(jié)合在一起，在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行的一系列嚴(yán)格有效的測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的問題，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容主要包括模塊性能測(cè)試，即采集模塊性能測(cè)試和Lora無線通信模塊測(cè)試。

4.1 采集模塊性能測(cè)試

本節(jié)具體測(cè)試內(nèi)容是測(cè)試傳感器能否正常工作，工作時(shí)讀取代碼是否穩(wěn)定，得到的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)是否在正常誤差范圍內(nèi)。圖4～圖7是對(duì)溫濕度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和顆粒物濃度傳感器的詳細(xì)測(cè)試。

圖4 溫濕度傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果

圖5 CO濃度傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果

圖6 CO2濃度傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果

圖7 顆粒物濃度傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果

4.2 Lora無線通信模塊測(cè)試

醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，因此Lora的通信方式選擇使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。在測(cè)試該模塊的性能時(shí)，首先將兩個(gè)USB To TTL轉(zhuǎn)接器與TX進(jìn)行連接；然后打開兩個(gè)串口調(diào)試助手，分別選擇不同的串口；最后在一個(gè)調(diào)試助手的發(fā)送區(qū)輸入發(fā)送“XZMU”。另一個(gè)串口調(diào)試助手接收到所發(fā)送的字符串為測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。

圖8 Lora無線通信模塊數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

隨著醫(yī)療水平的不斷提高以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境檢測(cè)技術(shù)得到了大力推動(dòng)，醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)成為環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)方法存在檢測(cè)方法單一、檢測(cè)精度較低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑷斯ぶ悄芗夹g(shù)與環(huán)境檢測(cè)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，按照層次化和模塊化設(shè)計(jì)思路開展研究，首先利用高性能ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；然后選擇開放式軟件架構(gòu)使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，易于維護(hù)修改；最后采用Lora無線通信技術(shù)節(jié)約系統(tǒng)安裝費(fèi)用。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，醫(yī)院空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)不但能夠保證醫(yī)院空氣質(zhì)量檢測(cè)的有效性和精準(zhǔn)度，而且使用自動(dòng)化設(shè)備代替部分檢測(cè)人員，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部人員靈活調(diào)動(dòng)，大大節(jié)省了檢測(cè)成本；另一方面，能夠?yàn)獒t(yī)院制定不同區(qū)域的消毒工作提供更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持，具有一定的實(shí)用性。此外，在今后的研究過程中，還將對(duì)該空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究，將會(huì)進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際情況來添加閾值預(yù)警模塊，確保該系統(tǒng)能夠最大限度地發(fā)揮檢測(cè)與預(yù)警效用。