核磁共振水冷系统短信报警装置的研制

皇甫德俊，周晓东，姚文坡，张 玉，羊 元，穆小苏

核磁共振水冷系统短信报警装置的研制

皇甫德俊，周晓东，姚文坡，张 玉，羊 元，穆小苏

目的：设计一种用于实时监测核磁共振水冷系统工作状态的短信报警装置，能在第一时间通过短信报警方式将水冷系统工作状态通知给工作人员。方法：在核磁共振水冷系统各重要部位点接入相应的传感器，通过各传感器的实时数据采集，形成单片机标准规范可识别的数据源，在ATmega16单片机控制处理分析下，根据系统要求进行相应的事件触发短信联动，通过TC35i短信模块对相应数据信息进行短信发送。结果：由模拟运行发现，该系统可以使工作人员在第一时间通过短信准确地获知发生异常部位故障的信息，从而实现对核磁共振水冷系统的实时监测。结论：该系统利用实时短信报警方式，有效地解决了发生故障时工作人员不在场和需要频繁巡视等问题，为设备运行提供了故障智能感知服务，对核磁共振监测领域的研究具有一定的借鉴意义。

核磁共振；短信报警；水冷却

0 引言

水冷系统是核磁共振外围关键的设备之一，主要作用是对梯度线圈和氦压缩机进行冷却。氦压缩机的冷却是24 h连续运行的，因此对冷却系统的稳定性有较高的要求[1]。水冷系统工作异常可导致氦压缩机热量蓄积无法排出而停机，甚至导致超导线圈温度过高出现液氦快速汽化蒸发，使超导状态破坏，出现“失超”的危险状态[2]。冷却系统异常不易被发现，尤其是在夜间和节假日期间工作人员不在场的状态下，可能会导致严重的后果和损失。核磁共振现有的冷却控制系统自身状态监测电路，对冷却异常状态的报警通常采用显示屏和报警喇叭来告知工作人员，这种方式受人员在场和距离等因素的限制。随着移动通信网络的日益扩大，手机短信业务得到了广泛应用，基于短信收发的增值业务的产生，使得无线远程监测报警变得方便和可能。成熟短信数据交换技术的出现为远程无线信息系统的构建省略了庞大的网络建设投资和维护费用，给这种需要远程无线信息报警系统的设计带来很大的优势[3-4]。本文设计一种同手机短信进行绑定的水冷系统在线状态短信监测报警装置，将有效地解决水冷系统异常检测中出现的问题。

1 总体结构和原理

本次设计采用Atmel公司的ATmega16[5-6]单片机作为微控制单元（microcontroller unit，MCU），通过ATmega16单片机对核磁共振循环流动冷却水的水位和水流速度及冷却水的进出口温度进行数据采集分析，把处理后的数据同用户设定的数据值作出比较和判断。若某一采集到的数据比对后超出设定值，立即触发短信报警事件，通过短信发送模块，辅助声光报警器完成报警工作。该系统能在极短时间内通知工作人员，让工作人员第一时间获知冷却异常状况，为核磁共振冷却系统的正常运行提供了有力保障，水冷系统结构如图1所示。

图1 水冷系统结构图

2 硬件部分

2.1 单片机

监测报警装置采用Atmel公司的ATmega16单片机，ATmega16是基于增强的AVR精简指令集计算机（reduced instruction set computer，RISC）结构的低功耗8 bit CMOS微控制器。ATmega16内核具有丰富的指令集，其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，使得数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（arithmetic and logic unit，ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器[7]。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率，因此采用AT－mega16单片机有着很强的优势，为短信报警整体嵌入式控制设计提供了灵活而低成本的解决方案。单片机与外部设备的连接如图2所示。

图2 单片机与外部设备的连接图

2.2 温度传感器

进出水温度传感器选用DS18B20[8-9]。DS18B20采用Dallas公司的单总线数据通信方式专有技术，将传感器和数字转换器电路集成在一只形如三极管的集成电路内，不需A/D转换即可实现9～12位数字值的读取。DS18B20的温度测量范围为-55～125℃，在-10～85℃范围内的精度为0.5℃。在电路中进出水温度传感器DS18B20的DQ脚分别接在单片机的PA0和PA1脚，为了提高DQ脚的驱动能力需在电源脚和DQ脚之间接一个4.7 kΩ的上拉电阻。为了防止DS18B20温度传感器与单片机之间连接的引线干扰问题，采用了北京天成华酿科技有限公司生产的不锈钢管密封的 DS18B20温度传感器，外观如图3所示。

图3 DS18B20温度传感器

为了支持通信电缆长度在50 m以上，同时满足防水、防腐蚀要求，采用两芯屏蔽线连接，屏蔽层把DS18B20的负电源脚GND和不锈钢管外壳连在一起，中间的两芯线连接DS18B20的信号和电源脚，抗干扰能力强，具体连接如图4所示。

图4 DS18B20连接示意

2.3 水流传感器

当流体流过管道时，管道中的涡轮磁性转子受到流体的作用力而旋转，磁性转子中不同磁极的磁钢旋转依次经过霍尔元件时，霍尔传感器切割磁力线，依次产生一系列单片机能识别的脉冲信号。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比，转子的转速又与水流量成正比，通过这一流速特性把输出的脉冲信号直接同单片机PA2对接，即能实时监测流体的流速流量状态。本次设计采用佛山市顺德区赛盛尔电子科技有限公司生产的SENHZ21FB（8.1Q-3）水流传感器，该水流传感器的技术参数如下：额定电压/电流DC 5 V，≤10 mA；流量范围1.25～30 L/min；输出电压（额定DC 5 V）高电平4.5 V以上，低电平0.5 V以下；脉冲占空比50%；使用介质为水；使用温度≤60℃；耐压性能≤1.75 MPa。该水流传感器内外牙的螺纹可以同现有水管的接口直接螺纹旋紧相接，非常方便。水流传感器引出线和外观如图5所示。

图5 水流传感器

2.4 水位传感器

通过一根连杆中滑动的中空浮子，在液体中产生的浮力的变化而上下移动，浮子位置的不同则反映出不同的信号量，在转换电路的处理下变成模拟信号输出。输出的模拟量为4～20 mA较弱电流信号，经LM324运算放大电路转换调制成1～5 V的电压信号，最后输出的电压信号直接同ATmega16单片机的PA3脚直接连接，单片机的此脚设置为A/D信号采集方式，省去了外围复杂的A/D采集电路。此次设计水位传感器采用南京西巨电子技术有限公司生产的LH系列液位传感器（可以根据要求定制），该产品具有抗干扰能力强、环境耐受性好（耐温-40～85℃）、信号输出4～20 mADC/0～5 VDC、替换方便等优点，外观如图6所示。

图6 水位传感器

2.5 GSM模块TC35i结构

西门子通信芯片TC35i[10]是西门子公司推出的一款成熟稳定的全球移动通信系统（global system for mobile communications，GSM）模块，可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的数据和短消息服务。模块的工作电压为3.3～5.5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz频段。TC35i模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、零阻力插座（zero insertion force，ZIF）连接器、天线接口等6个部分组成。GSM0707中定义的AT Command接口，提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口。TC35i模块在短消息收发时，能够通过符合ITU-T RS 232接口电路标准的异步串口和单片机传送或接收信息，数据终端设备可向GSM模块发送各种命令。ATmega16单片机通过RXD和TXD口向TC35i写入不同的AT指令，来完成多种功能的设置，如模块的开启、波特率设置、短消息中心设置、收发短信格式设置等。

TC35i共有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、用户身份识别模块（subscriber identity module，SIM）卡、音频接口和控制。其中1～5、6～10分别接电源和地，第15引脚IGT为系统启动引脚，该引脚直接接到单片机的PD2口，通过单片机控制时间来启动模块（在上电初始，该引脚需要一个持续时间不低于100 ms的低电平，然后拉高，TC35i才能正常启动完成初始化）。第18、19引脚为串行通信口TXD0、RXD0，分别与Atmega 16单片机的第14、15引脚（RXD、TXD）进行连接通信。24～29引脚为SIM卡。引脚分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND。为了适合外部的SIM接口，该接口通过ZIF连接器连接到TC35i的第24～29引脚。30、31、32脚为控制脚，TC35i的第32脚（SYNC引脚）有2种工作模式：一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态。35～38为语音接口，35、36接扬声器放音，37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，38是话筒负端）。

2.6 液晶显示模块

HA12864K-ZK5液晶模块是由成都宏安电子有限公司生产的一款汉字图形点阵液晶显示模块，采用台湾矽创电子公司生产的7 ST7920中文图形控制器，能够显示128像素×64像素的图形或者4行16点阵×16点阵的中文字符，内置8192个中文汉字。外围用少量阻、容元件即可，结构件等装配在PCB板上完成。整体模块结构紧凑、轻巧、装配容易。单5 V电源供电，具有低功耗、长寿命、高可靠性的特点。本次设计考虑到节约单片机的引脚资源，故采用同步串行方式连接（如图7所示）。

图7 HA12864K-ZK5连接方式

2.7 电源电路设计

电源为直流稳压电源，将电网中220 V的交流电压转换为5 V的直流电压提供给工作电路。整个电路由5个部分电路组成：（1）降压电路：通过变压器的隔离转换把AC220 V转换成AC10 V；（2）整流电路：利用4个二极管组成的一个桥式整流电路，将50 Hz的正弦交流电转化成脉动的直流电，整流后的电压约为12.5 V；（3）滤波电路：将整流电路输出电压中的交流成分大部分通过C1加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压；（4）储电电路：将多余的电通过充电电池进行储能，当突然断电时，可由充电电池提供约1 d的电量；（5）稳压电路：芯片LM2940稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压波动和负载电阻的变化而变化。由于TC35i模块的突发耗电电流峰值可达3 A，选择电源稳压模块时必须选择足以满足该峰值电流条件的芯片。在模块中，采用开关电源芯片LM2940完成5 V的稳压作用，以提高储能和瞬间耗电要求。电源电路如图8所示。

图8 电源电路结构

2.8 声光报警

声光报警电路通过单片机PB0脚输出高或低电压来对NPN三极管的基极进行导通和关闭，以此来触发声光报警，让在场工作人员通过声光报警也能获知核磁共振水冷系统异常状况信息。

2.9 其他电路

系统还包括单片机的复位和晶振电路、键盘电路、单片机外扩电路、TC35i信号指示灯和单片机控制的系统状态指示灯电路等，因不是此次设计重点，所以在此不再赘述。

3 软件部分

在使用装置前需准备好一张已开通的GSM网SIM卡，在加电前把开通好的SIM卡装入SIM卡卡座并上电后，装置即可按程序设计的流程运行。该系统的运行流程如图9所示。

图9 系统运行流程

该系统上电后首先对单片机进行初始化，单片机的初始化包括定时器工作方式和定时器初值的装入、波特率的设置、中断方式、串口通信模式和系统变量等参数的初始化。在完成一系列单片机初始化后，对TC35i进行初始化，首先通过单片机拉低TC35i的IGT脚持续100 ms后再迅速拉高该引脚来控制启动TC35i，启动后的TC35i同单片机在RS232的异步串行端口下通过AT指令建立连接，连接成功时TC35i则向单片机返回一个OK值，说明TC35i工作正常。运用AT相关组合指令可以对TC35i模块进行相关操作控制，如初始化短信模式、短信中心地址，设置短信收发模式等。

在单片机和TC35i初始化完成后，主程序将检测键盘上是否有用户参数设定信息输入。用户参数设定主要包括对报警值范围的设定、短信接收者逐一对应号码的输入设定、单次异常短信的发送次数等信息的输入设定检测，若不进行任何输入设置则默认初始值，接下来系统则对各个传感器进行数据采集，并对采集的值进行分析判断，最后得出其值是否正常，若正常则继续监测，若不正常则对该值对应的传感器作出异常标定，以做到每个传感器采集的值一一对应。对异常的采集值需立即进行事件触发，触发异常短信发送和声光报警功能，这样工作人员即使不在现场，都能在第一时间获取报警信息，为故障处理提供了有利时机，非常便捷实用。本系统通过短信发送时间间隔的调整，对同一传感器采集的异常值作出了发送周期和次数的设置限制，防止当采集值超过阈值时，系统不断发送报警信息，不仅增加系统负担而且给用户造成不必要的资费浪费。

在短信的发送形式上，TC35i可以发送中文短信也可以发送英文短信。本系统使用中文短信格式即PDU格式，PDU格式是先将短信的相关信息整合到一个PDU数据包里，该包的开头是短信中心号码，其后是目标手机号码，该号码是将实际电话号码相邻的奇数位与偶数位对调最后加F得到。如原手机号码为12345678901，按上述方法得到2143658709F1。然后是该号码的长度（采用16进制表示法）、中国国家接入码86（86代表中国）、译码方式、编码方式，再往后是短信在信息中心保留时间，最后分别是短信内容长度和短信报警内容。经过此规律有序的格式排序最后组合成完整的预发送短信。这一系列的过程都是由单片机和GSM模块配合完成的。

4 测试结果

系统上电自检后，设定报警参数值，循环进水温度为（10±1）℃，出水温度为（15±1）℃，水流速度为2.4m3/h，水位设定为低水位，接收手机设定为137705960XX，设定确认后，该系统开始采集各个传感器的数据值。首先，关闭循环水冷却机组的压缩机，让压缩机处于停转状态。当显示屏显示进水温度达到10℃时，声光报警器立即报警，约45 s设定的手机接收到短信报警提示“报警：核磁共振进水温度达到10℃，请立即检查进水温度”。接下来对出水温度进行测试，当显示屏显示出水温度为15℃时，声光报警和短信报警同时被触发，设定的接收手机短信显示出异常报警短信，进出水温度报警测试通过。对水流传感器进行模拟测试时，为模拟水流异常，把冷水循环泵临时关闭5 s，声光报警立即响应，约45 s手机接收到报警短信“报警：核磁共振进水流速度低于2.4 m3/h，请立即检查水流泵”。最后对水位传感器进行模拟测试，人为将水位传感器的中空浮子降到底部，声光报警和短信报警立即触发，约45 s短信提示“水位过低，请立即检查水位”。通过对这几项基本功能测试，结果全部符合设计的基本要求。

5 结论

本文主要针对核磁共振水冷系统的有效实时监测找到了一种较好的无线短信报警设计方案，该方案中采用成熟稳定的GSM通信移动网，实现了不受距离限制的远程短信报警，且具有通信范围广、传输数据可靠性高、短消息业务经济实惠等优点，是核磁共振水冷系统无线监测短信报警平台选择的有力支撑平台。该款设计系统有效地解决了水冷异常而工作人员却不知情的状况，把危险和损失降到最低，减少了工作人员的巡查工作量，实现了实时监测，为保障核磁共振设备的正常运行提供了有力手段，也在实际运行中取得了良好的效果，这对核磁共振监测领域的研究起到了一定指导作用。

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（收稿：2014-08-31 修回：2014-12-15）

Development of SMS alarming system for NMR water cooling system

HUANGFU De-jun1,ZHOU Xiao-dong1,YAO Wen-po2,ZHANG Yu1,YANG Yuan1,MU Xiao-su1
（1.Department of Drug and Equipment,Tangshan Branch of Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 211131,China;2.Department of Equipment,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China）

ObjectiveTo design a real-time SMS alarming system for NMR water cooling system to inform the staff the situation at the first time.MethodsCorresponding sensors were integrated into NMR water cooling system for acquiring real-time data and forming standardized data source recognized by SCM.ATmega16 SCM was used to process the data, and TC35i module was triggered to send SMS.ResultsSimulation operation proved that the SMS alarming system could make the staff aware of the information on the failure so that real-time monitoring was realized for NMR water cooling system.ConclusionThe SMS alarming system makes the staff response to the failure timely and eliminates the requirement for frequent patrolling,and may provide references for the monitoring of NMR.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：9-13]

NMR;SMS alarm;water cooling

R318；TP311.13

A

1003-8868（2015）03-0009-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.009

南京军区总医院院管课题（2013073）

专 利：国家实用新型专利（ZL 201220096888.X）

皇甫德俊（1974—），男，副主任，工程师，主要从事医疗器械设计与维修方面的工作，E-mail：hpxhl@163.com。

211131南京，南京军区南京总医院汤山分院药械科（皇甫德俊，周晓东，张 玉，羊 元，穆小苏）；210002南京，南京军区南京总医院设备科（姚文坡）

穆小苏，E-mail：152797295@qq.com