呼吸机管路温湿度监测控制系统
2020-04-14陈旭创龙碧连潘远文许旭光通信作者
陈旭创，龙碧连，潘远文，许旭光 （通信作者）
佛山市第一人民医院 1 医疗设备科，2 鼻咽喉头颈外科 （广东佛山 528000）
呼吸机患者回路的温湿度控制对呼吸系统疾病患者的治疗起着至关重要的作用，温湿度过高或过低都会对患者的恢复造成影响[1-2]。目前，临床关于温湿度传感器与无线通信技术相结合的呼吸机患者回路无线温湿度监控方面的研究较少[3-4]。传统呼吸机患者回路的温湿度控制是通过外置简易温湿度发生器来实现，通过湿化器内加入蒸馏水进行档位控制，该方法具有温湿度监测灵敏度低、反应慢、冷凝水多、有线温度探头容易断裂等缺点。
本研究设计了一种呼吸机患者回路温湿度无线监控系统，在传统湿化器的基础上，采用基于Zigbee无线通信技术的射频收发器CC2530芯片[5-6]、Sensirion公司的SHT35温湿度传感器[7]、陶瓷雾化片和加热丝构建监控系统，目的是实现对患者回路温湿度的无线精确采集与控制，该系统具有不受环境条件制约、灵敏度高、容易扩展、维修方便等优点，有助于提升使用呼吸机患者的治疗效果。
1 系统架构设计
本系统是基于Zigbee无线通信技术的呼吸机患者回路温湿度监控系统，其整体架构见图1。系统架构分为控制和采集2个部分，控制部分（图1湿化装置）主要包括控制端的主机芯片CC2530和3.3 V、5 V、12 V电源模块，以及OLED显示模块、温湿度控制模块、温湿度报警模块；采集部分（图1温湿度传感器）主要包括采集端的从机CC2530芯片、3.3 V电源模块、温湿度数据采集模块、锂电池。
图1 系统整体架构
2 系统硬件电路设计
本系统硬件电路包括控制端电路和采集端电路。系统硬件模块框架：3.3 V电源模块为主从单片机供电，温湿度监测模块监测呼吸机患者回路的温湿度并转化为数字信号；具有收发功能的采集端从机CC2530无线通信模块将信息发送给控制端主机，主机根据设计将信息发送给OLED显示模块[8]，并通过温湿度控制模块控制雾化片、加热丝实现对温湿度的调控，见图2。
图2 系统硬件模块框架
2.1 控制端电路设计
控制端电路（图3）是在传统湿化器基础上进行设计的，主要包括CC2530的基础外围电路、OLED显示电路、雾化片驱动电路、加热丝驱动电路、Buzzer报警电路，以及将AC220转成DC 12 V降压成5 V再降压成3.3 V的一系列电源电路。
如图3的U1所示，CC2530的40引脚（DCOUPL）通过去耦电容C14 （1uF）可以提供一个比较稳定的1.8 V去耦电压；32、33脚使用C15、C16及晶振Y2（XTAL）构成32.768 kHz的辅助晶振电路；30引脚（RBIAS）连接一个56 kΩ的偏置电阻，为晶振提供合适的工作电流；而32 MHz的主晶振电路是由23、22脚的C17、C18及晶振Y1（XTAL）构成；20引脚（RESET）通过网络符号连接了按键开关S3和电容C21构成一个复位电路；26引脚（RF_N）负责收发负向射频信号，25引脚（RF_P）负责收发正向射频信号，该端口由C10、C12、L2和L3组成的不平衡变压器以及C19、C13和C11组成的π型LC滤波器和天线之间达到最佳的阻抗匹配。
图3 控制端电路原理
雾化片驱动电路由DC 12 V供电，CC2530芯片的P0_3/INC引脚下降沿有效，允许调节数字电位器X9C104、P0_2/U/D引脚高低电平变化调节输出电阻值Rw，以此来控制Y1雾化片两端的电压OUT+、OUT-达到控制雾化量的大小；干簧管用于监测湿化瓶液位高低并产生中断防止干烧；加热丝电路由DC 5 V供电，通过P2_0口产生间断的低电平信号，经过光电隔离MOC3021控制三端双向可控硅驱动加热丝工作。
2.2 采集端电路设计
采集端电路（图4）主要包括CC2530的基础外围电路、SHT35温湿度传感器的外围电路、DC 3.7 V锂电池转换DC 3.3 V供芯片的电源电路。传感器电路设计见图4中的U2,其SDA引脚本质上是一个三态门，用于实现CC2530和SHT35传感器之间的串行数据读取；引脚SDA上的状态由引脚SCL上的串行时钟控制；在传输数据和发送指令数据过程中，为防止发生冲突，CC2530需要驱动SDA处于低电平状态，并且通过在SDA引脚上加上一个10 kΩ的上拉电阻将电平信号上拉至高电平；传感器采集到的数据通过SDA引脚送入CC2530的P0_5口；SCL引脚与CC2530的P0_6口连接提供系统时钟。
图4 采集端电路原理
3 系统软件电路设计
软件系统部分的设计重点是Zigbee无线通信、温湿度传感器数据采集、OLED屏显示、温湿度控制、报警控制等的代码实现。本研究软件开发环境为IAR Embedded Workbench for 8051，Zigbee的协议栈为TI的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，使用C语言进行编程实现本系统的应用程序代码，利用SmartRF Flash Programmer软件下载程序，使用串口调试软件sscom32进行传感网络数据采集实验。
软件系统整体运行流程（图5）：控制端和采集端系统上电，执行延时程序稳定系统，进行系统初始化（包括CC2530芯片初始化、IIC初始化、SHT35温度传感器初始化、OLED初始化等）；采集端CC2530芯片执行写IIC Address命令和16 bit Fetch Data 命令，SHT35收到命令后返回6个字节的数组（包括16位温度、16位湿度、8位温度crc校验、8位湿度crc校验）；解析数组得到温湿度信息并发送给控制端，控制端经过报警上下限判断温湿度高低，并执行相应的控制程序驱动雾化片，最后将采集到的相关信息显示到OLED屏上面。
本系统软件程序中的自动读取温湿度部分程序代码，如下：
SHT3X_Init(0x44);//传感器初始化
IIC_Init(); //IIC 初始化
图5 软件系统的整体流程
// wait 50ms after power on 开机后50ms的延时
DelayMicroSeconds(50000);
HalLcdInit(); //oled 初始化
LCD_CLS(); //清屏
LCD_welcome(); //欢迎界面
SHT3x_ReadSerialNumber(&serialNumber); //读取系列号
SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_CLKSTRETCH, 50);
SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_POLLING, 50);
while(1)
SHT3X_ReadStatus(&status.u16);
//以高重复性和每秒1次测量开始定期测量
SHT3X_StartPeriodicMeasurment(REPEATAB_HIGH,FREQUENCY_1HZ);
//读取测量缓冲区
error == SHT3X_ReadMeasurementBuffer(&temperature,&humidity);
if(error == NO_ERROR)
{
sprintf(Temp_str,"%.2f",( (float)(int)((temperature+0.005)*100 ) ) /100);
sprintf(Humi_str,"%.2f",( (float)(int)( (humidity+0.005)*100) ) /100);
LCD_P8x16Str(8, 0, " Pipe Temp&Humi");
LCD_P8x16Str(8, 2, "Loading per 1 s");
LCD_P8x16Str(10, 4,"Temp:");
LCD_P8x16Str(54, 4,Temp_str);
LCD_P8x16Str(100, 4,"C");
LCD_P8x16Str(10, 6,"Humi:");
LCD_P8x16Str(54, 6,Humi_str);
LCD_P8x16Str(100, 6,"%RH");
}
DelayMicroSeconds(300000);
}
4 测试结果
将设计实物应用于呼吸机PB840（Tyco Healthcare公司的PURITAN BENNETT系列呼吸机）上，将呼吸机置于温度24 ℃、相对湿度56%RH的环境中，使用中央供应空氧气体；呼吸机参数设置为A/C模式，呼吸频率16次/min，使用21%的空气进行测试。
根据临床的呼吸系统疾病患者使用情况，在患者呼气期间进行温湿度控制，传感器测试点设置在Y型口处，见图6。5组测量值见表1。
图6 测试实物
表1 呼吸回路温湿度设置值和测量值
我们将系统硬件应用于PB840呼吸机的患者回路，将各部分硬件模块进行连接，系统上电开机，经过一段时间稳定后，系统可自动获取温湿度数据[9-10]，OLED屏显示温湿度结果；先进行温度监控，获取表1左侧温度数据，最大误差不超过0.16%；再将温度控制在37 ℃，经过多次测量求均值，发现测量所得湿度数据相对稳定，最大误差不超过0.22%RH；最后经过多次调试，提升系统的稳定性，以满足临床应用需求。
5 结论
本研究基于临床对呼吸机患者回路温湿度监控的需求，结合文献综合研究法，设计基于Zigbee无线通信技术的呼吸机患者回路温湿度无线监控系统，实现了对呼吸机患者回路温湿度的精确监测，可有效控制患者回路的温湿度值，为呼吸系统疾病患者提供最佳的辅助治疗方案，并有效避免了传统温湿度传感器有线易损、测量不精确、速度慢的缺点[11-12]。该系统以最新的高速度、高精度的SHT35传感器为基础，可以作为经典案例供同行参考，其优点是温湿度监测精度高、反应快、价格低廉、组网快捷。测试结果表明，该系统可以满足临床对于呼吸管路温湿度监控的需求，降低了维护成本，并能长时间稳定工作，具有较高的实用价值。但是，该系统在温湿度控制方面仍需要进行改进，下一步是将控制端、采集端模块进行外形设计，以便能够更好地应用于临床，并从呼吸机患者回路温湿度监控智能化、局域网络化、手机APP多节点控制等方面进行研究。
