基于无线网络的影像机房温湿度监测系统

2011-01-26周学军俞凯君

中国医疗器械杂志 2011年3期

【作者】周学军，俞凯君

1 南通市第一人民医院设备科，南通，226001

2 上海医疗器械高等专科学校，上海， 200093

0 引言

随着现代医学影像的发展，医疗检查和治疗越来越离不开影像设备，普放、 CR 、DR 、CT 核磁共振等影像诊断设备到ECT、 DSA 、加速器等治疗设备，已经成为医院不可或缺的设备。先进的影像设备自然也离不开计算机，其正常运行对环境温、湿度有着较高的要求。影像设备中使用了大量的半导体器件、电阻和电容等电子元器件，在影像设备加电工作时，环境温度的升高会对电子元器件的正常工作造成影响，过高或过低的温度可能会使某些元器件工作参数产生漂移，影响电路的稳定性和可靠性。湿度过大也会影响元器件的正常工作，严重时还可造成元

器件的击穿损坏，从而也会导致设备的故障。因此，较好地控制环境温、湿度对充分发挥系统的性能，延长机器使用寿命，确保数据安全性及准确性是非常重要的问题。影像机房的集中实时监测控制环境温、湿度已成医院的一个难题。

我们根据医院机房分布的特点，设计了基于无线网络的影像机房温，湿度监测系统。在机房的各个重要部位，装设温、湿度检测模块，可实时监测控制环境中的温、湿度和露点，记录温、湿度曲线供管理人员查询。一旦发现温、湿度超限即时启动报警，提醒管理人员及时调整空调的工作设置值或调整机房内的设备分布情况，同时系统也可自动调整空调的工作设置值。记录曲线供机房管理人员参考，在问题发生后可根据记录曲线轻松找到问题所在，方便解决问题。与有线通信相比，系统不需要架设传输线路，不受通信距离限制，机动性好，建立迅速。该系统采用进口数字式传感器和智能单片机芯片，工作准确可靠。

1 总体方案设计

1.1 系统组成

系统由中央站和温、湿度实地检测点两部分构成。中央站负责接收信息，并在屏幕显示实地、实时的各指标测试结果，自动采集、记录、处理（平均、最值、报警）各测点温、湿度数据，当信息超限时发出报警信号。温、湿度实时检测点由数字温、湿度传感器加单片机以及无线通信模块组成。

1.2 功能简介

(1) 实时测量、显示当地的温、湿度数据，由计算机实时在线监测，可选定相应的工作区间，并显示实地、实时的各指标测试结果。

(2) 自动采集、记录、处理（平均、最值、报警）各测点温、湿度数据，数据表现形式为表格、曲线和报警超标记录等。

(3) 数据存储间隔可任意设定，数据直接存储到计算机硬盘，对存储时间无限制。

(4) 各监控点的名称、报警范围可任意定义。

(5) 数据的查询方式灵活多样，检测记录稳定可靠。

2 系统硬件电路设计

2.1 整体结构

系统的硬件结构如图1所示，中央站与检测点之间以无线方式传输信息和数据。

图 1 硬件结构图Fig.1 Hardware Structure

2.2 温、湿度检测点

传统的温、湿度检测方式为温湿度传感器输出电压或电流信号，通过模拟量采集模块传送至计算机，电压或电流信号在传输过程中不可避免地受到线材质量、传输距离和电磁干扰等影响，不可避免地会造成误差。为确保温、湿度检测值不受上述因素的影响，我们选用数字式温、湿度传感器，由传感器把检测到的温、湿度值直接转换成数字信号，最大限度地保证了温、湿度检测的准确性。

2.3 SHT11的内部结构和工作原理

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温、湿度传感器芯片，内部结构如图2所示，其主要功能特点如下：

图2 SHT11内部结构图Fig.2 Internal structure of SHT 11

(1) 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；

(2) 提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；

(3) 测量精度可编程调节，内置A/D转换器(分辨率为8～12位，可以通过对芯片内部寄存器编程选择)；

(4) 测量精确度高，由于同时集成温、湿度传感器，可以提供经温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能。

温、湿度传感器SHT11包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能源材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中，在测量过程中会自动校准传感器检测到的信号。此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(＞95%RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高，相对湿度降低，较加热前测量值会略有差异。

2.4 CC1020无线通信模块

CC1020是一种理想的UHF单片收发器芯片，主要用于ISM(工业、科研及医疗)频带和在426/429/433/868/915MHz频带，也可经编程后用于频率为402MHz～470MHz和 804MHz～940MHz的多信道设备。CC1020主要的工作参数可通过串行总线接口编程，例如输出功率、频率及AFC。

在接收模式下，CC1020可看成是一个传统的超外差接收器。RF输入信号经低噪声放大器(LNA1和LNA2)放大后，翻转经过积分器(I和Q)产生中频IF信号。在中频处理阶段，I/Q信号经混合滤波、放大后由ADC转化成数字信号。然后，进行自动获取控制、信道滤波、解调和二进制同步化处理，在DIO引脚输出数字解调数据，DCLK引脚获取同步数字时钟数据。RSSI为数字形式，并可通过串行接口读出。RSSI还可作为可编程的载波检测指示器。

在发送模式下，合成的RF信号直接馈送到功率放大器PA。射频输出是FSK信号，此信号是由馈送到DIO引脚的数字比特流通过FSK调制产生的。可使用一个高频滤波器来得到高斯频移键控GFSK。芯片内部的收/发开关电路使天线容易接入和匹配。

CC1020 的控制非常灵活,内部有多个寄存器可以对功率、频机、传输数率等参数进行改动，但在进行变化时要注意要硬件的变化。

CC1020无线通信模块有如下主要特点：

(1) 载波频率 433MHz，也可定制其它频段，如300-350 MHz, 390-460MHz 及 780-925 MHz；

(2) 多种可选的通讯接口 RS-232、TTL或 RS-485接口；

(3) 数据格式 8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位数据位)；

(4) 传输数率 1200、2400、4800、9600、19200、38400、100kbps、250kbps；

(5) 16个通讯信道也可扩展；

(6) 透明的数据传输提供透明的数据接口，能适应任何标准的用户协议；

(7) 收发一体，半双工工作模式；

(8) 采用单片射频集成电路及单片MCU，外围电路少，功耗低，可靠性高。

2.5 串行通信控件MSCOMM

MSCOMM控件，即Microsoft Communication Control，是Microsoft为简化Windows下串行通信编程而提供的ActiveX控件。它提供了一系列标准通信命令的使用接口，利用它可以建立与串口的连接，并可以通过串口连接到其他通信设备（如调制解调器），发出命令，交换数据以及监视和响应串行连接中发生的事件和错误。MSCOMM控件可用于创建电话拨号程序、串口通信程序和功能完备的终端程序。

串行通信控件MSCOMM32.OCX提供了使用RS-232进行数据通信的所有协议。VC++编程语言为该控件提供了标准的事件处理函数、过程，并通过属性和方法提供了串行通信的设置。该控件使用户能够方便地访问Windows串行通信驱动程序的大多数特性，包括输入、输出缓冲区的大小及决定何时使用流控制命令挂起数据传输等。

打开所需串口后，我们需要考虑串口通信的时机。在接收或发送数据过程中，可能需要监视并响应一些事件和错误，所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通信事件和错误的值。发生通信事件或错误时将触发OnComm事件，CommEvent属性的值将被改变，应用程序通过检查CommEvent属性值并做出相应的反应。

3 无线通信系统设计

3.1 模块与中央站接口

模块与中央站接口如图3所示。

图3 通信接口Fig.3 Communication Interface

3.2 通信方式

对于通信系统来说，可靠性、安全性是首先要考虑的，因此通信的抗干扰能力、错误的处理能力也非常重要。基于通信系统自身的特点，上位机与它进行通信，必须满足其特定的要求，因此我们采用如下的通信方式。

(1) 主从方式

上位机为主机，下位机为从机。一般情况下，下位机不能主动给上位机发送信息，只有上位机给下位机发出指令后，下位机才能作出应答。这样我们可以通过上位机，很好地控制整个通信过程。

(2) 数据帧方式

采用数据帧的方式，有利于保证数据包的完整性，便于进行数据接收和处理。在我们的通信系统中，上位机和下位机均采用相同的协议对通信数据进行打包或解包。

(3) 数据校验

由于传输距离、现场状况等诸多可能出现的因素影响，计算机与单片机之间的通信数据常会发生无法预测的错误。为防止错误带来的影响，一般在通信时采取数据校验的方法。数据在传输过程中，由于干扰可能引起信息的出错，出现“误码”，为了保证数据在传输过程中不会出错，在每个数据包后面加上校验字节。校验是发送TX端与接收RX端共同完成的过程。我们采用异或校验，是一种简单而实用的校验方式。在上位机发送指令前，自动计算数据的异或和，并将它附在数据帧的末端，一起发送给下位机；下位机在接收到数据帧后，先解包，然后再计算一次数据的异或和，用它与数据帧末端的校验和进行比较，反之亦然。使用这种方式可以检验数据在传输的过程中是否发生了变异。

图 4 数据包校验流程Fig.4 Checking fl ow chart of data packet

（本刊讯）

(4) 自动重发机制

下位机在接收到错误的数据帧时，将会把该数据帧遗弃掉，同时向上位机返回错误码报错。这时候，该帧数据需要重新发送。如果把重发任务交给应用程序，程序将变得比较复杂。我们把这个任务交给控件，可以很轻松的实现重发功能。在控件内部，当新的数据发送之前，都将数据做一个备份，直到确认接收正确了，才将其消除。如果发现还有错误，将其再次发出去。

(5) 应答方式

在通信过程中，下位机对上位机每一帧数据都必须做出的应答。上位机根据返回的应答判断通信状态，然后进行下一步动作。为了安全起见，规定只有在确认前一包指令正确应答之后，才可以发下一包指令。对于非查询指令(包括全部解释执行指令和部分立即执行指令)，下位机收到后，返回该指令的命令字;对于查询指令，除了返回命令字之外，同时还返回查询数据。如果下位机检测到数据帧有问题，如无帧头、校验和错等，则返回相应的错误码。上位机在发送指令的时候，同时记录下了该指令的命令字。在接收到下位机返回的应答后，将其中的命令字与保留的命令字比较，如果一样，则说明发送正确，可以发送下一条指令；反之，则说明指令发送有问题，根据错误码进行错误处理，并重发当前指令包。