基于远程数据透明传输的医院用呼吸机巡查监测系统

卢瑞祥(通信作者)，王文丹，张晓庆

深圳市计量质量检测研究院 (广东深圳 518055)

根据WS/T655-2019《呼吸机安全管理》标准的要求，为确保医院用呼吸机的安全性和可靠性，应定期对呼吸机进行监测和巡查。在新型冠状病毒肺炎疫情的特殊背景下，为降低医护人员的感染率，通过必要的技术手段实现呼吸机工作状态监测和巡查的远程隔室操作，具有一定的迫切性和必要性。

与在家庭中使用的用于治疗睡眠暂停综合征患者的CPAP家用呼吸机不同，医院用呼吸机本身往往不具有工作状态的远程监测功能。近年来，国内有些企业和研究机构开发了基于RS232接口数据采集传输的医院用呼吸机工作状态在线监测系统[1-6]，基本实现了对某些品牌呼吸机工作状态参数(如潮气量、气道压力等)的数据采集和集中监控。但由于这些系统基本上采用基于有线以太网的服务器实现数据的汇总和中央监控，结构布局往往因场地而固化，难以实现移动布局和移动巡查，在方舱医院等特殊防疫场合及野外的安装和使用受到一定的限制。本研究研制了一种基于无线物联网远程数据透明传输的呼吸机现场数据采集模块，通过公共移动通信网实现数据的远程实时透明传输，并设计了一种基于Android系统的呼吸机监测移动终端，可实现在方舱医院和野外等特殊场合对医院用呼吸机的工作状态和运行参数进行实时在线监测和移动巡查。

1 硬件与网络结构

医院用呼吸机工作状态和运行参数的远程数据可利用呼吸机的外部数字通信接口(例如RS232接口)，通过数字网关实现其与远程监测终端之间的透明数据传输。本研究系统主要由基于NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)的医院用呼吸机现场数据采集模块和数据监测移动终端两部分构成。

呼吸机数据采集模块以NB-IoT DTU(Data Transfer UNIT)为基础，经服务器配置后实现与呼吸机的数据接口(一般为RS232/RS485等串口，部分产品采用以太网接口)进行通信，获取呼吸机工作状态与运行参数等数据。监测用户端采用了配有4G/LTE通信模组的Android移动终端，通过公共互联网与现场数据采集模块建立通信链接，接收下位机发送呼吸机实时数据，并可通过指令集实现对呼吸机的远程控制。

1.1远程网络方案

由于呼吸机移动巡查监测系统应用于非固定场所的需求，并考虑到部署以太网的复杂性和WIFI网络的局限性，本研究的整体网络架构采用物联网技术方案。NB-IoT即“窄带物联网”，是一种部署于GSM网络或LTE网络上的低频段、低速率网络，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。NB-IoT具有海量连接、深度覆盖、稳定可靠、综合成本低等优势。NB-IoT发射功率的覆盖增益比GSM、LTE等高约20 dB，能够覆盖到地下室等常规蜂窝移动通信技术难以覆盖的区域，在野外场合部署具有较好的可靠性。NB-IoT继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，可保护用户的数据安全。在网络系统鲁棒性和稳定性方面，NB-IoT直接部署于GSM/LTE网络，充分利用现有网络基站实现平滑升级，同时其使用单独180 KHz频段，不占用现有GSM/LTE网络的带宽，保证物联网数据传输的稳定、可靠。

呼吸机工作状态和运行参数的实时监测数据，包括呼吸机设备信息、报警数据和潮气量、气道压力等实时状态数据，整体数据量较小，对传输带宽的要求较低，采用NB-IoT低速率网络技术即可满足系统的传输要求。图1为本研究设计系统的网络结构，多台呼吸机的通信接口分别通过NB-IoT DTU与NB-IoT移动互联网相连，并进一步连接至Android移动终端。

图1 系统网络结构示意图

1.2呼吸机数据采集与通信模块

近年来，随着电子信息技术的发展，呼吸机作为典型的机电设备，也采用了大量的数字技术，其主控系统多采用计算机平台，绝大多数本身即具有外部数据通信接口。由于呼吸机的外部数据接口一般采用RS232等通用数字接口，系统在呼吸机数据采集端采用NB-IoT DTU等具有数据采集/传输功能的通用数据终端，通过NB-IoT DTU的数据透明传输功能，实现呼吸机运行状态参数的采集和传输。

NB-IoT DTU模块往往采用工业级32位CPU和嵌入式操作系统，集成基于4G/LTE移动蜂窝通信的无线数据传输模块，并具有RS232/RS485 UART串行通信接口，该模块通过实现TCP Client或UDP Client功能支持TCP/IP协议传输并实现了UART与TCP/IP的数据通信协议转换，可实现基于NB-IoT网络的串口通信与4G/LTE双向数据透明传输功能，其内部结构如图2所示。

图2 NB-IoT DTU内部结构图

基于该模块，对于采用RS232外部数据接口的呼吸机设备，可以直接将NB-IoT DTU与呼吸机通信口直连，在相应的通信协议支持下即可实现呼吸机工状态的实时数据采集。对于采用RJ45以太网接口的呼吸机，同样可以采用支持以太网数据透明传输的NB-IoT DTU模块作为物联网数字网关，但上层传输协议需要进行相应的调整。

1.3呼吸机外部数据接口与协议

目前，国外主要呼吸机制造商，例如Drager Medical，已经公开了其呼吸机设备外部数据通信接口的技术规范，为医院用呼吸机设备工作状态数据的外部采集和传输提供了便利的通用方法。国内主要医院用呼吸机生产企业，如迈瑞，也研发了相应的私有通信协议，如支持RS232接口的MR-WATO协议和支持以太网接口的MD2协议、MAQ协议等。

Drager呼吸机的外部数据通信协议——MEDIBUS协议是一种基于RS232 UART的串行数据总线协议，其指令集主要包括命令指令(COMMAND CODE)、命令相应(COMMAND RESPONSE)两部分，分别用于对外部通信设备(如本研究所述NB-IoT DTU)发送指令或接收外部控制命令。

MEDIBUS协议可在同一通信端口同时支持慢数据流(监测数据)和实时数据流(波形数据)两种数据的传输，分别用于传输设备状态参数等非实时数据和潮气量、呼吸频率、峰值气道压力等设备实时数据。图3为MEDIBUS协议中传输气道压力等实时数据的命令格式。在协议中，两种不同的数据流通过实时数据标志位(数据字节的第7位)加以区分。

图3 MDEIBUS协议中传输实时数据的命令格式

基于MEDIBUS协议，Drager呼吸机与外部设备之间可建立稳定的通信链路。呼吸机与外部设备的通信过程分为建立链路、数据通信及监听、终止链路3个阶段。

建立链路阶段，外部设备向呼吸机发送身份验证指令，呼吸机通过验证后启动设备连接状态。为确保数据通信的可靠性，MEDIBUS协议要求持续监听通信过程中的链路状态，在数据收发过程中，呼吸机对接收数据进行校验码验证，若校验码错误则等待重发正确指令。在实时数据流传输过程中，若在3 s内呼吸机未收到正确指令，则会进入传输错误/超时状态，外部设备需发送身份验证指令重新建立通信链路。

2 软件与协议实现

2.1应用端软件平台

本研究采用基于Android的移动终端作为呼吸机工作状态与运行参数等数据监测和显示设备，系统的软件平台为基于Android环境下的应用程序。该应用程序基于Java语言开发，主要功能模块包括通信模块、数据采集处理及显示模块，设备管理模块等。

通信软件模块首先通过基于Socket的TCP/IP协议建立与数据采集端NB-IoT DTU模块的数据链接，并通过DTU对呼吸机的通信接口参数(如波特率、奇偶校验位、停止位等)进行配置，建立与呼吸机设备外部接口的通信链接，进而实现移动终端APP与呼吸机之间的数据透明传输。

数据采集处理及显示模块主要把由呼吸机获取的设备信息、设备设置参数、报警参数和实时工作状态数据进行显示和记录，其中潮气量、呼吸频率、分钟呼气量、峰值气道压力、平均气道压力等实时数据，需通过图形界面动态显示。

为实现院内多个呼吸机的设备统一管理和集中监测，软件系统中开发了设备管理模块，建立一个基于SQLite的呼吸机设备管理小型数据库，记录各呼吸机的设备编号、型号、安装位置、外部通信接口参数等信息。该软件模块可实现呼吸机设备管理记录的新建、编辑修改、删除、显示、存储等简单的数据库操作功能。

2.2呼吸机通信协议转换

Drager呼吸机采用MEDIBUS协议实质上是一个基于RS232的指令集，为实现呼吸机与基于Android的移动终端之间的数据传输，需通过软件完成MDEIBUS协议与TCP/IP协议之间的转换。

MDEIBUS协议作为一种UART协议，仅规定了数据链路层的规范，而TCP/IP协议主要涉及网络层和传输层，两者无法直接建立通信链路。考虑到MDEIBUS串口协议本身不具有网络层和传输层，在实现协议间转换时，需用TCP/IP封装传输的方式将串口的数据作为TCP/IP的应用层数据。

TCP/IP的工作模式主要分为TCP服务端模式(TCP Server)、TCP客户端模式(TCP Client)、UDP模式。UDP模式接近于串口协议的数据透明传输模式，但传输数据量较大时可能有漏帧情况。TCP模式可以建立可靠的数据传输链路，由于Client/ Server在传输数据的过程中需要有连接、关闭、监听等步骤，需要NB-IoT DTU模块进行中转。系统设计中以NB-IoT DTU模块端为TCP Client，数据监测移动终端为TCP Server，以实现对多个呼吸机设备的集中数据采集和监测。

2.3Socket网络编程

Socket(套接字)是基于TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元，是网络通信链的句柄，Android系统的应用程序APP可以通过Socket向网络发出请求或者应答网络请求。socket包含了进行数据通信的5种基本信息，即连接所使用的协议、本地IP地址、本地进程的协议端口、远端IP地址及远端进程的协议端口。Socket是一种抽象层，应用程序通过Socket来发送和接收数据，使用Socket可以将应用程序添加到网络中，与处于同一网络中的其他应用程序进行通信。简单来说，Socket提供了程序内部与外界通信的端口并为通信双方的提供了数据传输通道。

Android系统的底层是基于Linux架构，在其核心库的Java包中，集成了基于TCP/IP协议的Socket Class和ServerSocket Class。

基于socket的通信模型和数据传输流程如图4所示。Android移动终端的socket server服务器端先声明一个ServerSocket对象并且指定端口号，然后调用Serversocket的accept()方法接收客户端的数据。accept()方法在没有数据进行接收的处于堵塞状态。[Socketsocket=serversocket.accept()],一旦接收到数据，通过inputstream读取接收的数据。

图4 Socket通信模型

NB-IoT DTU的TCP客户端创建一个Socket对象，指定服务器端的IP地址和端口号[Socketsocket = newSocket(“IP地址”,#端口号)],通过inputstream读取数据，获取服务器发出的数据[OutputStreamoutputstream=socket.getOutputStream()]，最后将要发送的数据写入到outputstream即可进行TCP协议的socket数据传输。本研究采用NB-IoT DTU模块的嵌入式OS采用与上述过程类似的方法实现TCP Client的通信流程。

2.4数据透明传输模式

NB-IoT DTU模块可以设置为支持socket的网络透明传输模式，这种模式下，DTU模块可作为TCP Client或UDP Client，DTU链接的呼吸机串口可通过DTU模块发送数据到Android终端的socket server服务器。DTU模块也可接收来自Android终端的数据，并转发至串口设备(呼吸机)。在透明传输模式下，用户不需要关注串口数据与网络数据包之间的数据转换过程，只需将通道模式设置为TCP/UDP 透明传输，并设置相应的服务器IP、端口和类型即可实现串口设备(呼吸机)与网络服务器(Android终端)之间的数据透明传输，如图5所示。

图5 透明传输模式示意图

2.5心跳包功能

在呼吸机巡查监测过程中，在NB-IoT DTU与Android移动终端之间需要保持持续的数据链接，否则需要重建数据通道，影响监测流程。由于NB-IoT网络的数据链路使用的是4G/LTE公共移动互联网，服务运营商会对连续3 min无数据传输的通信链路自动切断。同时，呼吸机MDEIBUS通信协议规定，如果呼吸机通信接口连续3 s处于空闲状态，会认为是通信超时错误，将初始化通信接口。因此，系统为保持通信链路，需在建立透明传输链路后，设置一个线程，当链路空闲时，以2 s为周期向呼吸机串口发送NOP-Command指令。

NB-IoT DTU模块本身也可以设置心跳包功能，在网络透明传输模式下，定时向NB-IoT网络和设备串口发送心电包数据，以监测数据透明传输模式下网络传输链路的工作状态，如图6所示。

图6 心跳包示意图

3 总结与展望

本研究呼吸机远程移动巡查监测系统的总体设计思路，是在成熟的基于NB-IoT远程数据透明传输技术框架的基础上，采用商业化的软硬件体系，高度简化系统及网络结构，大幅降低了系统的硬件依赖性。在医院用呼吸机的数据采集端，系统采用了NB-IoT DTU模块等极为成熟的商业化物联网硬件系统解决方案，无需专门设计特殊的硬件系统即可实现医院用呼吸机工作状态和运行参数的采集和传输。在应用端，系统采用支持4G/LTE通信的商业化Android移动终端作为硬件平台，为医护人员的现场巡查提供了便利。同时，系统在网络结构上采用公共移动通信网作为网络平台，突破了以太网、WIFI等局域网的使用区域限制，通过极为简化的系统网络结构实现了远程实时双向数据传输。本研究技术解决方案不仅大幅降低了系统的成本，而且实现了极为灵活的现场部署和安装配置，特别适用于在方舱医院等防疫野外现场的呼吸机设备状态监测和控制；同时，由于系统的结构高度简化，避免了由于系统结构复杂而导致的不稳定，提高了系统的可靠性。由于国内的呼吸机制造商尚未公开其外部数字接口和通信协议，本研究系统目前尚无法应用于国产医院用呼吸机。呼吸机的外部数据通信在技术尚已非常成熟，在安全方面也有完善的解决方案。如果国产呼吸机制造商能合作研制统一的外部数字接口和通信协议，不仅能为医用的数字化监管提供方便，也将有利于制造商通过远程通信的方式及时获取产品的安全状态和运行参数，对医院用呼吸机产品的可靠运行和质量提升也会发挥重要的作用。