基于物联网技术的医用气体供应监视系统

王伟++王进++刘易

摘 要：医用气体供应监视系统对压力容器和管道内气体的压力、流量、温度以及压力容器内的液态气体质量、液位进行实时监测，系统采用嵌入式处理器对置于监视对象上的传感器感知数据进行采集、分析、处理，按照通信协议制定的规则封装数据包，通过GPRS、CDMA、WiFi 等方式将监测的数据实时上传至云服务器，在云服务器上对存储在Oracle数据库中的监视数据进行数据分析，并给出关于气体供应的当前状态、预/警报信息。然后通过大数据分析给出正确的气体供应策略，并提供精准的财务决算依据及面向指定设备的维保提议。该系统是满足现代化医院气体供应的安全、可靠的运行平台。

关键词：气体供应监视；云服务；大数据分析；嵌入式处理器

中图分类号：TP277；TP274.2；X967 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）07-00-06

0 引 言

医疗气体管线供给系统是现代化医院重要的且必不可少的组成部分，它包括医用氧气系统、压缩空气系统、笑气（N2O）、氮气系统、二氧化碳系统和医用气体、液化气体供应与存储状况的监视与分析系统。

国内现有医用气体供应状况的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，依靠人工识读计量表来界定是否添加储罐中的液化气体。这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体供应的安全性与连续性，即便采取缩短对气体供应装置的巡察时间，也难以实现供应状态的实时报警。其次是缺少供应计量方面的精确性、计划性。移动气体钢瓶靠人工决定是否更换，经常造成使用中的气体钢瓶被提前更换的现象出现。同样，封闭容器内液体填注的时机、数量也完全由现场值班人员决定。何时充填、充填多少则由经验和估算决定。再次是对管道、封闭容器的完好性缺乏监测，给气体供应留下安全隐患。

基于物联网技术的医用气体供应监视系统主要运用传感技术、无线数据通信技术、云服务、数据挖掘技术对封闭容器内的气体、液化气体的温度、压力、质量和容器内的液位以及对外气体供应的瞬时流量进行远程监视。根据气体当前容器内的储备量和供应情况进行分析，给出气体供应状况的警示，指导移动气体钢瓶的更换与封闭容器内的液体的充填时机；监督、记录气体钢瓶的更换时间与重量、压力、数量等级；测算注入容器内的液化气体的质量、体积；给出气体供应相关的月、季、年的财务参考数据。系统已成功应用于某中心医院，当年在降低劳动力成本、提高气体利用率方面为医院节省了七十多万元。通过对历史供应状况的数据分析，得出的关于气体供应方案的年度预算、管道健康状态的评估、气体供应与季节流行病的关系等有意义的课题推动了基于物联网技术的医用气体供应监视系统的潜在应用。该监视系统连续运行了1000多个日夜尚未发生任何系统故障，有力地保障了医院供气系统的安全性和高效性。

1 系统架构

医用气体供应所监视的物理量有压力、压差、液位、流量、重量（液体罐）、温度等。

医用气体供应状态监视系统实现了医院用气的实时监测，对医院气体供应的现状实时表征，可及时发现供应状态的异常，可对供应储备下限进行预警或报警，使其保持良好的供应状态，杜绝了因人工巡视不及时导致的气体储备量不精准所带来的气体供应上的医疗风险。系统通过对医用气体供应的数据进行分析实现关于气体供应的财务报告。通过对现场数据的历史分析对管路健康情况做出评估。系统根据气体供应的情况可建立关于气体供应量与医院急救重症救治间的统计关系，更好地为现代化医院的管理与运营提供支持 。医用气体供应状态监视系统结构框图如图1所示。

该系统是物联网的典型应用，分三个层次。底层为感知层。在医院气体供应领域，其感知层对象主要有氧气、二氧化碳、一氧化二氮（笑气），氮气等。这些医用气体在封闭的容器中储存，通常的状态为液态或气态。在封闭的容器中加装探测管线，通过在探测管线中加装传感器，将气体当前的物理状态参数转换成微电信号，通过信号调理将感知到的微电信号转化为与气体物理量对应的格式化量级，成为可进行数据传输的信号帧。

图2所示为对液氧罐体内外的氧气状态进行数据提取的框图，提取的数据有液氧罐体内的液氧液位，气化后的氧气压力、温度、输送给管线的氧气流量。

对可移动的灌装气体的数据提取采取集中管理的方式，在每种气体的汇流排上加装压力、温度、流量传感器，实时上传传感信息；同时对供应管线上的灌装气体进行总体称重，监视罐体的重量变化，对非线性变化进行智能判断、记录。瓶装气体压力、温度、流量、重量数据提取的框图如图3所示。

系统第二层以嵌入式处理器为中心，采集处理来自底层的感知信号。这一层的主要功能是协调数据采集与数据发送，运用环形队列协调本层的通信处理器以完成上层数据报文的解析及本层数据报文的封装；建立数据流监视窗口，对超过上下限值的数据是否启动故障处理进程进行甄别；维护自身的程序与数据安全，管理本级系统的级联、I/O端口、通信配置。

系统第三层即顶层，该层使用了云平台。基于云平台建立系统的管理所带来的益处主要是现场减少了设备与发布系统的物理线缆连接，现场施工、维护十分方便。设备的无故障时间得以提升。云端远程应用系统管理、配置、诊断、备份、更新、数据共享更加便捷。在客户端，使用医用气体供应监视系统的用户可以在任何可连通互联网络的电脑、智能手机、移动互联设备上得到云服务器、云虚拟主机记录的气体供应现场的气体供应状态数据、气体的储备余量/消耗量信息。可及时得到关于气体供应状态上限/下限的预警、报警。图4所示为采用云虚拟主机架构下的监视数据分享框图。

基于云服务架构的医用气体供应监视系统在连续运行三年多的时间里运行稳定。临床科室、设备管理、后勤财务等相关部门均可在第一时间得到所需的信息。

2 传感器选型要点

感知气体状态的首要器件是传感器，医疗卫生中使用的气体与人体接触密切，要求与医用气体接触的传感器件在工作环境处于-40℃至+80℃的温度下不产生有毒物质；在供应气体的传输通道中，无机械动作带来的任何污染；同时供气设备具备低噪音、易维护，使用、安装方便的特点。endprint

2.1 旋进旋涡气体流量计

在应用中利用气体漩涡来对管道内部的流动气体进行流量测量可较好地满足应用需求。其具有当流体通过螺旋形导流叶片组成的旋涡发生体后，流体被迫绕旋涡发生体中心剧烈旋转，形成旋涡流，旋涡流沿流动方向经缩径段后，流动强度得以增强的特点。旋进旋涡气体流量计如图5所示。

5.温度传感器；6.压电传感器；7.出口导流体

当旋涡流进入扩散段后，在导流体回流的作用下产生旋涡的二次旋转运动，二次旋涡进动的频率与流量成正比，在很宽的流量范围内，旋涡的频率与流量成线性关系。经相关运算可得到压力、瞬时流量值。经信息处理通过4～20 mA电流信号或以RS 485接口信号输出。旋进旋涡气体流量计由于无机械磨损，结构免维护，无故障时间得以延长。

2.2 机电一体的压差液位计

在中型以上医院中，高压氧舱、手术室、急救中心是日常氧气用量较多的部门。通常采用液氧转换系统来保障日常的医用氧气供应。

液氧的储存主要使用储罐，储罐内部置有内胆，外壳与内胆间用隔热的珠光砂粉末填充，然后对夹层进行真空处理。通过夹层的隔热措施，保持内胆里的氧气处于低温液态。

机电相结合的差压液位计较好地应用于低温液体介质的液位测量。其原理是基于低温容器内的液体高度，等比于低温容器内气相与液相静压力之差。通过测量静压力差的大小来确定被测液体的高度。压差的提取方式如图6所示。

当工作介质气体经过节流装置时所产生的压力差通过高压阀和低压阀进入感测部分的介质仓。来自罐体顶部的气体压力P0与底部的压力PB在介质仓内被一个弹性隔膜隔断，作用在膈膜两侧的压差变化导致了弹性膈膜的反抗与恢复。这个动作过程被按比例的传导到联动机械装置上，从而使压差的变化可测量。信号处理器采集这个机械动作的变化量，转化得到低温容器内的液体高度数据值，用环流形式以4～20 mA输出。以这种方式提取的液位信息在工程实现上安全、方便、数据线性误差较小。

3 嵌入式硬/软件设计

3.1 嵌入式硬件体系

医用气体供应系统对传感器/变送器的数据采集与处理采用了嵌入式处理器，而未采用PLC控制系统，这主要基于如下考虑：

（1）基于对信息的处理与运算。

（2）基于归一化接口信号与设备级联。

（3）基于Cortex-M3处理器的高性价比。

更多的用户希望通过中层设备实现远程无线联网，与众多移动数据设备如PDA、智能手机、数据终端进行无线通信。希望能在控制器中进行复杂的算法运算和多向量中断处理，并具备数据存储和图形显示功能，满足现场数据读取、人机交互、系统检测的应用需求。为此，我们从仪表+PLC+PC的控制模式转向了PAC+云服务的模式。

医用气体供应系统的传感信号经过调理后通过RS 485总线传至嵌入式处理器，系统采用了Cortex-M3处理器，集成了存储器控制器，定义了4个串行接口、CAN总线接口、USB接口，其设计框图如图7所示。

3.2 嵌入式系统应用软件数据采集与处理

MCU微处理器在系统中担负着数据采集、通信管理、安全自检等职责，它利用存储、运算的优势完成如下动作：

（1）初始化GPRS DTU，SMS DTU，保持GPRS建立与云端的通信连接，维护本地时间保持与云端的同步。

（2）扫描、维护数据报警限度表，监视FPGA发来的数据帧中的数据是否超限、超时。当发现上述情况则启动报警流程，通过SMS DTU发送报警信息。

（3）设备状态判断。对前端变送器、安全栅、FPGA、断电、失效做出评估，并将情况通过GPRS、SMS短信方式通知维护者。

（4）按用户定义的通信协议打包数据帧，CRC校验数据帧，在连接状态下发送数据帧。数据包接收与发送流程图如图8所示。

（5）解析云端的信息，按照云端的指令进行相应的操作。云端操作包括上传设备当前状态、上传设备检查和暂停服务、接收数据包、系统复位、系统关机。

（6）维护系统参数表。MCU按参数表内容分配资源，定义程序运行参数。

应用软件在长期运行过程中保持稳定所采取的主要措施是应用系统启动加载后定时检查维护程序所设定的数据表。该表含有程序的自我诊断检查和通信协议参数等。系统在定义的任务执行后自检，比较数据表、程序、数据出现错误后均重启系统。或使用watchdog，在程序“跑飞”后复位系统。

4 云服务平台应用软件设计

系统的云服务包括与设备相关的地理信息、设备管理、数据获取导航、现场数据实时监视、数据趋势分析图表、设备异常征候预警与异常时的报警服务、故障诊断等。

这些功能紧密围绕着数据库的应用展开，由云存储系统和云发布系统组成。

4.1 云主机支持下的数据存储策略

云主机是云计算在基础设施应用上的重要组成部分，云主机整合了互联网应用的三大核心要素：计算、存储、网络，面向用户提供公用化的互联网基础设施服务。

系统采用了阿里云云主机，基于庞大的服务器集群，硬件全部冗余，单点故障率几乎为零，让用户感觉不到硬件故障的发生。智能多线机房，千兆共享、5 M独享带宽保证了系统数据传输的速度。在云主机平台下本系统配置了Oracle服务器管理前端发来的医用气体的状态监视信息。在多点监控点、不间断实时数据接收情况下为保证数据的合理存储、数据块的快速查询，系统将数据表分时段存储，即对一监控对象的数据按年、季、月、日建立数据表格。每日产生的数据在此日的数据转储时间由数据库的定时任务转储到月表中。日数据表仅保存当日的数据，保证在当日频繁的数据读写操作过程中保持数据服务的快速、流畅。同理，月表累计一个月的数据，在以月为单位的数据查询中提高了系统的查询速度，年终由系统所定义的任务将12个月表进行归一化处理存档。endprint

对月表的数据进行分析与挖掘，将所产生的结果信息放入数据特征表中，数据特征表反映了一个月内所关心事件的结果信息，对数据特征表的使用在很大程度上减少了原始数据的访问，提高了系统的效率。

4.2 云发布系统结构

医用气体、液化气体供应与存储状况的监视与分析系统具有医用气体运行状况的数据采集、传输与分析功能，系统包括数据采集、传输、医用气体供应下限预警、医用气体故障警报等模块。该系统实现了对医用气体运行状态的实时监测，能及时发现医用气体供应状况的异常并报警。通过对医用气体供应故障期间的数据分析与回放，为气体供应情况提供评估依据。发布系统功能结构如图9所示。

4.2.1 气体状态实时显示

医用气体运行参数监控指标包括医用气体压力、气体瞬时流量、累计流量、温度，移动灌装容器内的液态气体重量、固定储罐内的液态氧液位差等状态数据。系统根据用户需求设定气体状态的采样时间间隔实时采样管路内的气体状态，实时显示的数据绑定当时的时间信息。

4.2.2 状态趋势图表显示

气体状态图显示一段时间内气体随时间变化的曲线。曲线的种类有直方图、点状图、折线图、面积图、饼图。图表中可反映气体监视对象的变化趋势。时间起始点由用户定义，可分析日、周、月、季、年的数据变化。气体状态趋势图表是大数据处理技术的具体应用。

4.2.3 仪表面板数据显示

系统中的气体状态数据除使用表格、曲线显示外还仿真通用的指针式仪表显示。这个应用方便值班人员对数据的观察。指针式仪表盘定义了监控对象正常工作时的绿色工作区间和红色警报区间。指针对应当前采集的数据值，当出现异常数据时指针会发出闪亮提醒并启动报警流程。

4.2.4 液位差数据显示

对固定储灌内的液态气体的监控不仅采用了数据、表格显示液位信息，同时还模拟连通器将容器中液体引入观察管中，通过屏幕上显示的刻度形象来显示储罐内的液体高度。同步显示液体当前储量值。当液位高于或低于液位警示界面时系统会将观察管置成红色并按规律闪烁，同时启动报警流程。

4.2.5 状态预警信息提示

气体状态数据不仅可以实时显示在屏幕上，还可以通过后台的数据分析程序给出用户供气情况的综合及可能发生的危机。在本系统中这一综合通过对数据相互间的关系，运对大数据的分析方法给出可能发生某种情况的概率，提示使用者关注、警惕某种状态的发生。这对于供气中的安全起到了预警作用。

4.2.6 气供状态异常报警

当现场突发事件发生时供气数据会突变，数据在很短的时间内偏离工作区限。这种情况在本系统中做了优先级最高的处理。当硬件设备发生电流超载、雷击、浪涌等故障时安全栅将切断传感器的电源。此时数据端会被设置为0状态，系统会按流程处理这一情况，启动备用电池保证短信息以及报警数据帧的发出。在数据持续渐变至报警限的情况下，系统将启动报警流程，将时间、报警地点、数据源、报警等级、报警类型、超限数值全部发往所定义的信息接收人和服务器、网站。

4.2.7 报警参数表设置

系统可根据用户对所用气体的管线情况和终端压力要求设定报警参数。报警参数存储在报警参数表中。

报警参数定义了气体供应异常时的阈值，系统根据气体现状是否超过这一阈值决定是否进行报警操作。报警参数表可通过发布系统远程进行设置，与前端数据采集设备保持同步。报警参数表的设置与更改需要有服务器端严格的身份、权限认证。

4.2.8 气供状态报表支持

气体状态报表是向用户提供气体供应、储备情况的综合报表系统。提供的表项目有气体监控对象的使用情况，包括最小压力、平均压力、最大压力、流量峰值、平均流量、累计流量、气体监控对象的消耗量、液氧消耗量、净重量、折合财务统计量、气体、液体储备量、环境温度、报警情况等。报表分为日报、月报、年报的形式，可以统计从月初至当前的气动状态。

设立报表查询、CSV导出功能。综合报表为医用气体故障多维统计和故障信息挖掘提供支持，实现对医用气体供应故障数据多维统计结果的报表合成与输出。包括表单定制、报表输出、报表报送、报表发布等功能。气体供应状态报表是大数据运算的直接结果。反映了气体供应的近况和历史，是对气体使用状态的基本评估。

4.2.9 用户设备信息管理

供气系统是由多个容器、管线、开关、仪表、控制器所组成的复杂系统。本供气、储量监视系统的发布系统对所应用的设备、仪表、控制器等均做了基础信息管理，包括名称、型号、性能、技术指标、工作参数、设置方法、维护信息及备件信息。

系统采用电子标签RFID对流动的医用气体钢瓶进行管理。气体钢瓶在使用、运输、充填、检测过程中的信息可追溯。

4.2.10 管线的地理信息支持

设备管线地理信息支持是为设备的位置查询、设备维护和供气系统安全服务的。用户以自己的用户名、密码登录网站后可见到本用户下的所有设备所处的地理位置、设备的管线分布、防火通道、周边的地理信息。

4.2.11 历史数据查询服务

发布系统对采集的数据在云端存储，当客户需要对历史数据进行分析、评估时可通过系统提取这部分的数据。发布系统可按日期、时间、监控气体名称、参数、报警数据信息等查询相关数据。数据可屏幕拷贝、打印、转储。

4.2.12 数据采集系统控制表

数据采集系统的动作参数可通过发布服务器进行更新。发布服务器将数据采集系统的参数以选择配置的方式记录在数据服务器中，数据服务器定时扫描系统参数表信息更改标识，并根据更新内容通过数据传输协议将数据采集系统的参数表内容传递至数据采集系统。数据采集系统接收到更新命令后复位重启并按新的控制表信息进行工作。endprint

4.2.13 数据共享服务设置

用户再登录网站后系统根据用户注册的情况分配了不同的级别，其所能见到和操作界面与命令权限也不同。用户在系统的授权下可以得到更多的系统服务，可以下载相关数据、报表、图表等，并通过地理信息平台的服务得到系统中不同区域的数据。

4.2.14 管理信息公告发布

发布系统面向用户的管理信息公告发布可以是广播形式的，也可是对用户组、单一用户的信息发布。其具有界面标识提醒、弹出窗口、信息栏信息滚动等显示方式。

5 系统安全设计要点

医用气体供应监视是典型的物联网+技术应用。涉及的领域有医学气体工程、数字信号处理、云服务领域。在工程实现中，信息安全方面要解决的问题有以下几项：

（1）排除人为对系统的干扰

识别罐体更换中人员与物体对称重系统的冲击。一般情况下，罐体更换具有短时间内重量变化幅度大，变化前后的重量差为单满罐重量的整数倍，变化时间区间在1～2分钟内的特征。根据特征程序对正常换罐动作记录罐体更换的数据，无报警处理。

正常情况下气体消耗曲线是线性递减的，若重量突然增加，则系统认为是一个事件，若人为导致称重系统的惯性冲击，则其最终结果是冲击前后的重量差为零。据此可判定是人为动作。程序对此做数据记录，但不做报警处理。

无论是增加还是减少称重系统上的物体，如果不具备换罐特征，则系统将实时报警，并记录事件发生的时间与过程。

（2）数据传输对信源编码加密

从前端传感器、变送器发来的信息经嵌入式处理器的处理后要通过无线传输的方式发至云服务器。空中信息可以被侦听、截收。意味着传输的信息可能会被解析，造成前端、服务器端被第三方利用，或遭到破坏，从而导致系统瘫痪。

因此，必须对系统的信源编码采取加密措施。信息口令、时间数据、位置数据、传感数据、报警数据通过数据加密链后封装在数据报文中。

使用GPRS进行数据传输时，采取信息帧流水号、数据报文、CRC校验方式建立数据帧的格式。保证报文的完整性。

在与服务器进行通信前，首先采取相互认证的方式建立连接。变送器到处理器间若存在长距离外线，发送前端应进行数据加密处理。

（3）服务器端口的自我保护

接收程序接收到数据报文后，首先对信息格式进行甄别。判定这帧数据是否是请求信息，执行应答验证。若不是规则之内，将断开连接。

在连接成功后，进行数据报文解析，通过解码器还原数据报。若数据格式、注册ID等非规则，则断开连接。

只有符合规则的信息报才能够被系统解析至数据库，并通过发布系统发布。当系统解析出现大量非注册段IP的恶意攻击时，系统报警，并向注册和已连接用户发送端口转移信令，启用备用端口服务。

（4）数据空间的自调整诊断

气体供应监视系统是不间断的在线数据处理与记录的系统。应用当中会接受云服务器的系统更新等安全方面的服务，需要预留部分存储资源。与此同时，系统的存储空间会随系统数据库使用时间的延长而越来越小。需要程序计算存储空间提供数据存储图，自动或提示导出数据。防止因运行空间不足导致停机等状况的发生。

6 结 语

医用气体、液化气体供应与存储状况的监视与分析，使医院能以较低的投资获得一个功效强大的供气系统，不仅保障了医用气体供应的安全，还节省了人力、物力、财力，实现了现代医院气体工程系统高效、安全、可靠地运行。

参考文献

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