基于嵌入式Web 的醫(yī)用變壓吸附制氧裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏士杰，高龍琴，王志偉

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

地球上氧氣占空氣的20%，是地球上不可或缺的生命之源，是維持人類生命活動(dòng)的必需物質(zhì)之一，同時(shí)氧氣在醫(yī)療、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域也有著極為重要的作用[1-3]。隨著國內(nèi)制造業(yè)、航空航天領(lǐng)域尤其是醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，氧氣的需求量不斷提高。疫情形勢(shì)下，充足的氧氣供應(yīng)可以為中癥或重癥患者提供很好的輔助治療手段。因此，醫(yī)用制氧裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)有著很好的發(fā)展前景。本樣機(jī)所采用的變壓吸附制氧法利用了分子篩在高壓下對(duì)氮?dú)獾葰怏w的吸附性能，以及低壓下解吸附這些氣體的特性，達(dá)到對(duì)氧氣和空氣中氮?dú)獾绕渌麣怏w分離的作用。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)化程度高、操作方便靈活、投資少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。本研究結(jié)合變壓吸附制氧裝置的工藝流程，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套以STM32 單片機(jī)為主控制器，基于嵌入式Web 的高自動(dòng)化、智能化的醫(yī)用制氧裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，為醫(yī)用變壓吸附制氧裝置進(jìn)一步發(fā)展提供了技術(shù)支持。

1 變壓吸附制氧工藝流程

結(jié)合變壓吸附制氧的工作原理[4]，研究開發(fā)變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的控制系統(tǒng)，首先需要確定變壓吸附制氧的工藝流程。本樣機(jī)采用了兩塔式變壓吸附制氧法，相對(duì)于常見的三塔式制氧法，具有成本低、控制方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)[5]。具體工藝流程如圖1 所示。進(jìn)氣電機(jī)打開，空氣被吸入制氧裝置內(nèi)部，再經(jīng)由鼓風(fēng)機(jī)吹入篩塔中，分子篩在高壓條件下會(huì)吸附氮?dú)獾葰怏w，僅氧氣可以通過。過濾后的氧氣到緩沖罐中，再經(jīng)過止回閥進(jìn)入增壓機(jī)增壓，經(jīng)過氧氣濃度傳感器，如達(dá)標(biāo)，則將合格的氧氣吹入氧氣罐中，否則將不合格的氧氣經(jīng)由三通電磁閥排放到裝置外部。當(dāng)分子篩的吸附效果達(dá)到飽和，則將鼓風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)，將篩塔吸至負(fù)壓，分子篩吸附的氣體被釋放，由緩沖罐中多余的氧氣回流沖洗，將篩塔內(nèi)部的氮?dú)獾绕渌麣怏w重新排放到大氣中，此為一個(gè)制氧周期。

2 硬件設(shè)計(jì)

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6單片機(jī)為主控芯片[6]。該芯片集成了中斷、定時(shí)器、串口、I2C、SPI、AD/DA 等功能，執(zhí)行指令高速且穩(wěn)定，軟件開發(fā)系統(tǒng)成熟[7]?？刂葡到y(tǒng)所涉及的外圍電路包括供電電路、以太網(wǎng)控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、LED 顯示電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、輸出及接口電路等。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 供電電路設(shè)計(jì)

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置各部分所需供電有所不同，其中進(jìn)氣電機(jī)采用的是外部電源供電；電磁閥采用24 V 供電；本樣機(jī)采用變頻器改變頻率的方式來控制鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)以及增壓機(jī)電機(jī)，變頻器采用的是24 V 供電；氧氣濃度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器采用的是5 V 供電；主控芯片等采用的是3.3 V 供電，因此需要電源轉(zhuǎn)換電路來給整個(gè)控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定且合適的供電。本文采用LM2672 降壓芯片將外部24 V 電壓分別降為12 V、5 V、3.3 V 供各部分使用。供電電路如圖3 所示。

圖3 供電電路設(shè)計(jì)

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的篩塔、緩沖罐、輸送管道的安全及控制穩(wěn)定性主要依靠電磁閥來控制，當(dāng)篩塔與緩沖罐的壓力傳感器所測(cè)得的壓力值過高時(shí)，需要控制電磁閥打開閥門，適當(dāng)排氣以降低罐內(nèi)的壓力。電磁閥的工作電壓為24 V，而單片機(jī)的工作電壓是3.3 V，不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥。因此當(dāng)主控芯片接收到壓力傳感器值，會(huì)與設(shè)定的壓力閾值進(jìn)行對(duì)比判斷。若壓力閾值低于當(dāng)前壓力傳感器的數(shù)值，則主控芯片的輸出引腳輸出較低的信號(hào)，經(jīng)過緩沖器后再經(jīng)過MOSFET 管放大，電磁閥接收到放大后的開關(guān)信號(hào)，進(jìn)行開啟動(dòng)作，反之則關(guān)閉電磁閥。

2.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

制氧流程首先由進(jìn)氣電機(jī)將空氣吸入裝置內(nèi)部，然后由鼓風(fēng)機(jī)將空氣吹入篩塔，濾出氧氣，最后由增壓機(jī)給過濾后的高濃度氧氣增壓，進(jìn)而成為產(chǎn)品氧氣，輸送到氧氣瓶中。其中進(jìn)氣電機(jī)無須控制轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)；而鼓風(fēng)機(jī)與增壓機(jī)需要根據(jù)壓力傳感器、流量傳感器以及氧氣濃度傳感器的數(shù)值實(shí)時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中鼓風(fēng)機(jī)可以通過控制其正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)篩塔中制備氧氣以及回流沖洗的功能。

2.2.3 顯示裝置及LED 電路設(shè)計(jì)

變壓吸附制氧裝置采用TFTLCD 作為控制系統(tǒng)的顯示裝置，主要用來顯示傳感器所得到的數(shù)據(jù)以及電機(jī)狀態(tài)、裝置內(nèi)部環(huán)境狀態(tài)等參數(shù)。同時(shí)采用發(fā)光二極管作為控制系統(tǒng)的指示燈，用來提示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2.3 以太網(wǎng)控制電路設(shè)計(jì)

變壓吸附制氧裝置通過DM9000[8]以太網(wǎng)控制芯片以及RJ 45 網(wǎng)絡(luò)接口，與上位機(jī)之間用網(wǎng)線連接。上位機(jī)接收控制系統(tǒng)測(cè)得的傳感器、電機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)在上位機(jī)頁面及LCD 屏上面顯示，同時(shí)上位機(jī)可以遠(yuǎn)程修改控制系統(tǒng)的傳感器閾值和電機(jī)狀態(tài)。

2.4 輸出及接口電路設(shè)計(jì)

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置的輸出、輸入信號(hào)以及接口電路，主要用來外接實(shí)驗(yàn)過程中所需要用到的設(shè)備，其中接口電路用來連接裝置外部輸入的熱電阻、電機(jī)狀態(tài)以及傳感器信號(hào)、輸出的電磁閥和電機(jī)信號(hào)。

2.5 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

變壓吸附醫(yī)用制氧裝置采用的STM32F103ZET6 主控芯片內(nèi)部自帶12 位AD 轉(zhuǎn)換器。為了提高傳感器測(cè)量的精度，本樣機(jī)選用外部16 位AD 轉(zhuǎn)換器LTC2439 來代替內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器。氧氣傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等A/D 轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示。

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

熱電阻在變壓吸附醫(yī)用制氧裝置中起到溫度監(jiān)測(cè)的作用，利用阻值隨著溫度變化而變化這一特性來測(cè)量環(huán)境的溫度，具有測(cè)量精度高、滯后小等優(yōu)點(diǎn)。其中熱電阻控制電路采用三線式連接的方法連接外部的熱電阻，可以減少導(dǎo)線對(duì)熱電阻信號(hào)的影響。熱電阻信號(hào)經(jīng)過外部AD 轉(zhuǎn)換器LTC2439 后，將傳感器信號(hào)發(fā)送到主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.6 PCB 電路板設(shè)計(jì)

為了提高布線效率、降低信號(hào)干擾以及提高控制器的穩(wěn)定性。本樣機(jī)采用四層板作為控制系統(tǒng)的PCB 布局方式，四層板的設(shè)計(jì)形式適用于元器件裝配密度較高、線路布局較為復(fù)雜的場(chǎng)合，可以大幅度降低布線的難度；同時(shí)因體積較小，電子元件之間的走線距離縮短，加快了信號(hào)傳輸?shù)乃俣取Ｏ鄬?duì)于二層板，加入了地線層，傳感器、以太網(wǎng)通信等信號(hào)線與地線層之間形成了穩(wěn)定的低阻抗，具有較好的屏蔽效果。具體PCB 布線如圖5 所示。PCB 三維圖如圖6所示。

圖5 PCB 布線圖

圖6 PCB 三維圖

3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本樣機(jī)需要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)制功能。樣機(jī)將STM32 單片機(jī)作為嵌入式Web 服務(wù)器，PC 機(jī)瀏覽器作為客戶端。在客戶端瀏覽器上向嵌入式服務(wù)器發(fā)送POST 請(qǐng)求，請(qǐng)求格式為“/URL/SendData=SendValue”。此時(shí)下位機(jī)端接收到上位機(jī)發(fā)送來的請(qǐng)求報(bào)文，首先判讀上位機(jī)POST 請(qǐng)求報(bào)文中的URL 是否正確；其次判斷請(qǐng)求報(bào)文“SendData=SendValue”中是否有需要改變的SendData，如果有，那么在下位機(jī)端獲取上位機(jī)端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)來控制機(jī)器進(jìn)行調(diào)整閾值、啟停電機(jī)、開關(guān)電磁閥等操作，同時(shí)返回XML 文件給上位機(jī)，上位機(jī)接收到返回的XML 文件后，進(jìn)行解析，在上位機(jī)頁面加載XML 文件內(nèi)的數(shù)據(jù)，如果沒有，則返回null，并結(jié)束這一次請(qǐng)求。常規(guī)的上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送POST請(qǐng)求時(shí)會(huì)導(dǎo)致上位機(jī)網(wǎng)頁進(jìn)行一次刷新，會(huì)在一段很明顯的時(shí)間里導(dǎo)致網(wǎng)頁的空窗期，因此本樣機(jī)采用了AJAX 異步刷新技術(shù)[9]，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁在發(fā)送POST 請(qǐng)求的情況下不刷新頁面，并實(shí)時(shí)加載下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)，提高用戶體驗(yàn)。上位機(jī)中AJAX 異步刷新技術(shù)封裝函數(shù)為：

具體AJAX 請(qǐng)求流程如圖7 所示。

圖7 AJAX 請(qǐng)求流程

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用HTML、CSS、JS、XML 等語言編寫設(shè)計(jì)。HTML、CSS 及JS 作為前端語言，具有所寫即所得的優(yōu)點(diǎn)，在開發(fā)過程中可以實(shí)時(shí)調(diào)試所設(shè)計(jì)的頁面，極大提高了開發(fā)效率。XML 是獨(dú)立于軟件和硬件的信息傳輸工具，是一種可擴(kuò)展標(biāo)記語言，常被用來在嵌入式系統(tǒng)與上位機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)，開發(fā)人員可以任意命名具有實(shí)際含義的標(biāo)簽名。當(dāng)XML 文件由下位機(jī)返回到上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)可以通過獲取XML 的標(biāo)簽名內(nèi)部的參數(shù)，接收單片機(jī)發(fā)送來的傳感器數(shù)值、電機(jī)狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)等參數(shù)。本樣機(jī)采用瀏覽器作為上位機(jī)軟件的開發(fā)平臺(tái)[10]，將所開發(fā)的網(wǎng)頁燒錄到單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，并通過網(wǎng)線將上位機(jī)與單片機(jī)鏈接，即可在瀏覽器客戶端輸入嵌入式Web 服務(wù)器分配的IP 地址，訪問處于單片機(jī)存儲(chǔ)器中的網(wǎng)頁文件，并在瀏覽器顯示出來。本研究所制作的上位機(jī)包括登錄注冊(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、本地文件存儲(chǔ)等功能，能實(shí)現(xiàn)對(duì)制氧裝置工作狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。具體上位機(jī)頁面如圖8 所示。

圖8 上位機(jī)主頁面

5 結(jié) 語

本文基于變壓吸附制氧原理設(shè)計(jì)了以STM32 單片機(jī)為控制核心的變壓吸附制氧裝置控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了外圍控制電路以及PCB 電路板。編寫下位機(jī)控制程序以及上位機(jī)控制軟件，應(yīng)用AJAX 異步刷新技術(shù)，將瀏覽器客戶端與嵌入式Web 服務(wù)器連接起來，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用變壓吸附制氧裝置與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制的功能。整個(gè)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、操作簡單、人機(jī)交互體驗(yàn)良好等優(yōu)點(diǎn)。本文研究為醫(yī)用變壓吸附制氧裝置的進(jìn)一步開發(fā)研究提供了參考。