基于WiFi传输的呼吸机数据采集系统设计

符策高

(海南医学院第二附属医院， 海南 海口 570311)

0 引言

在危重症患者治疗过程中，呼吸机具有重要作用。但当前大部分呼吸机都是床边工作，靠护士每隔一段时间手工记录，信息化程度较低，无法通过网络传输监测结果和重要参数。本文利用WIFI传输对呼吸机参数进行实时采集[1]，并实现呼吸机管道内积液的自动检测。能够降低护士的工作强度，避免重要数据的丢失，强化了呼吸机的保障效果。

1 总体设计

(1) 系统总体框架

本文设计的呼吸机数据采集系统分为两个部分，即上位机模块和数据采集传输硬件模块，如图1所示。

图1 呼吸机数据采集系统总体框架

WIFI射频模块作为数据采集传输模块的重要单元是该系统的服务端，通过网络通信与作为上位机的客户端进行数据交互。数据采集模块主要实现数据采集和无线传输。患者呼吸的波形数据和呼吸机参数被采集后，通过RS232串口输入数据采集模块中，封装后通过WIFI传输至上位机。上位机首先对通信协议进行解析，然后分析硬件模块发来的数据，并将数据转换为可视化图形。

(2) 管道内积液自动检测算法

呼吸机的呼吸周期数据是该算法的重要判断依据。吸气和呼气管道是呼吸机机械通气的主要管道，在使用过程中往往会出现呼吸相积液问题。患者呼气和吸气波形数据通常会存在一定的差异[2]，如果不考虑差异的情况下，设计积液自动检测算法容易产生误判。因此，本文将呼气相和吸气相分开进行算法设计，如图2所示。

图2 管道内积液自动检测算法流程

算法步骤如下。

步骤一：利用一阶微分法分析呼吸周期起点；

步骤二：按照气流时间和流速波形图，按照零点分配来划分呼气相和吸气相；

步骤三：利用小波分解法分析气流时间和压力的波形数据；

步骤四：小波分解后的信号提取其分量，并按照细节进行小波重构；

步骤五：对重构后的信号阈值进行选择，并将阈值判断作为管道积液的评判依据，判断是否存在积液。

2 硬件设计

该系统硬件单元结构图，如图3所示。

图3 系统硬件结构

(1) WIFI传输模块

WIFI传输模块是该系统的核心硬件，由E103-W02射频模块和功能底板组成。E103-W02芯片是射频模块的核心，能够为WIFI传输提供良好的解决方案。该芯片片内集成度很高，只需要功能底板的供电和串口转换便能完成WIFI传输模块的硬件设计[3]。

(2) 微控制器

微控制器与各个硬件模块的统一协调控制是该系统硬件单元得以正常工作的保障。本系统采用STM32作为微控制器，其电路主要包括附属模块外围电路和微控制器电路，如调试电路、复位电路和主电路。其中，复位电路采用RC复位方式，只通过简单的电路设计便能完成运行中复位和上电复位功能。调试电路采用标准的10针头JTAG接口，高速数据传输情况下，将STM32的SWD模式引脚与JTAG接口连接，便可完成程序的调试和下载。

(3) 供电方式

本系统硬件采用5V USB供电模式，为了符合E103-W02芯片的3.3V供电需求，增加AMS 3.3芯片作为稳压和电压转换芯片，并配备1个0.1μF陶瓷电容、1个10μF钽电容和三个1μF陶瓷电容。转换电路，如图4所示。

图4 5 V→3.3 V转换电路

(4) 通讯设计

该硬件系统与呼吸机的RS232接口连接完成通信。E103-W02射频模块为TTL电平，呼吸机为RS232串口电平，为使硬件与呼吸机完成通信，本设计引入了SP3232芯片进行电平转换，以达到数据实时传输的目的。

(5) WIFI数据传输流程

WIFI数据传输流程，如图5所示。

为WIFI数据传输流程。首先对硬件进行初始化设置，WIFI服务端通过监听方式向网络发起连接。上位机作为客户端完成注册请求后与WIFI服务端建立连接。当WIFI服务端采集到数据后进行封装打包，并发送至上位机服务器。

图5 WIFI数据传输流程

3 软件设计

(1) 软件总体设计

软件系统作为上位机的主要系统，实现WIFI传输数据的处理和分析以达到自动检测管道内积液的目的。软件架构，如图6所示。

图6 上位机软件架构

上位机的WIFI模块首先进行初始化，并将外部请求设备与初始化呼吸机的通信，并实施获得呼吸机的数据。接收到的呼吸机数据首先要进行通信协议解析，然后一部分是用于直观的参数展示，另一部分用于波形分析，以判断管道积液情况[4]。

(2) 通信协议解析

呼吸机通信协议解析式软件部分的重点，本设计以PB840型呼吸机为例，该款呼吸机通信协议MEDIBUS通过RS232与外部设备建立连接，使用过程中只需要初始化通信即可完成实施传输。MEDIBUS指令是呼吸机通信协议的指令格式，外部设备通过向呼吸机发送SDNF请求指令即可获得波形数据、患者参数以及设置数据，完成对患者呼吸情况的监控[5]。

上位机的通信协议解析流程，如图7所示。

软件系统需要对呼吸机通信协议进行解析，并获得波形数据和监测数据两种独立封装的数据。系数首先会判断数据类型及其合法性，根据类型进行专有解析。获得的波形数据通过波形分析程序判断管道内积液情况，获得监测数据用于监测患者参数[6]。

4 总结

综上所述，本文设计的呼吸机数据采集系统通过RS232串口与WIFI模块进行连接，通过MEDIBUS通信协议解析完成对呼吸机参数和波形数据的采集。对数据波形进行小波分解、提取和重构后，自动判断管道内积液情况，同时还能够实施监测呼吸机运行情况及患者参数。极大程度降低了护士的工作强度，实现了对呼吸机的实时监测。