一种在线血液透析用水水质监测系统设计

曲怡蓉 刘 威 孙艳宾 唐 睿 于红燕

山东药品食品职业学院，山东 威海 264210

全球的肾病患者数量庞大，依靠血液透析维持生命的患者越来越多，如何保证如此多患者的透析用水安全尤为重要[1]。

血液透析对透析用水的水质要求较高，而用自来水为原料，经过净化流程生产的透析水中可能存在微生物、化学物质、不溶性颗粒等污染物，这些污染物在血液透析过程中能够通过反渗膜、输水管道、储水箱等进入患者体内。其中，细菌进入患者体内可能会导致毒血症、发热、低血压，严重的可能导致患者死亡[2]；化学杂质对人体的危害也是非常大的，血液透析水中的残余氯过多会引发慢性中毒症状，从而伤害人体的眼睛、呼吸道等部位；硝酸盐等化学物质的混入可能会引起患者缺氧中毒，轻者头昏、心悸、呕吐、口唇青紫，重者神志不清、抽搐、呼吸急促，抢救不及时可能危及生命[3]。

在传统血液透析水处理系统中,常用的余氯测定方法有碘量法、N,N-二乙基对苯二胺分光光度法、联邻甲苯胺比色法等。但由于这些方法都需要手工操作，且测试仪器繁多、体积较大,不能实时在线、高精度测得血液透析水处理系统中水的余氯含量、pH 等数据，化学试剂还存在防护问题,可能对实验人员及患者的健康造成伤害[4]。针对上述问题，本文设计了一种在线血液透析用水水质检测系统，可实现实时在线、高精度监测血液透析水处理系统中用水成分，保障患者用水质量。

1 设计思路

本系统设计的基本思路是搭建网络云平台，设计血液透析水处理系统在线水质检测系统，实现对血液透析用水的余氯、亚硝酸盐、pH 等数据实时监测。同时，通过网关模块将数据传输至云平台，实现远程在线实时监测。工作人员能够实时了解系统的检测数据和历史数据，在整个制水过程中对水质进行动态监测[5]。系统监测数据主要包括浓水电导率、纯水电导率、余氯、集水箱液面高度、原水压力、纯水压力、管路温度、pH等。通过现场的数采仪、水质水压表等在线感知设备，将其运行状态数据汇集到云计算服务器,并对海量的水质信息进行分析与处理，以更加精细和动态的方式管理水务系统的生产、管理和服务工作，从而提高生产效率，降低运维成本，达到高效、智慧的状态。

2 设计原理

将在线水质检测系统安装在血液透析水处理系统最末端，用以监测血液透析用水的pH、电导率、余氯、压力等数据。通过该监测系统实现对水质的在线高精度实时监控，并自动将检测数据、过程监控数据实时传输到配套云平台储存，工作人员可通过电脑、手机等移动终端访问云平台，实时监控水处理设备的运行信息、操作信息、报警信息以及历史数据，工作人员根据得到的信息进行下一步操作。

3 具体设计

本文设计的在线血液透析用水水质监测系统是由血液透析水处理系统、在线水质检测系统、在线实时监测系统、智能网关系统组成。

3.1 血液透析水处理系统

血液透析水处理系统由储水罐、多级过滤器、多级泵构成，如图1 所示。储水罐用于集中储存血液透析用水，保障用水量；多级过滤器用于过滤不同级别粒径的杂质，包括待检测的余氯、亚硝酸盐等有害物质；多级泵用于保障用水压力，控制水流和水量。

图1 血液透析水处理系统

3.2 在线水质检测系统

在线水质检测系统安装各类传感器，用于检测过滤后血液透析用水的水质情况。其安装位置位于血液透析水处理系统后。

在线水质检测系统由水质检测传感器与配套变径三通接头组成，水质检测传感器与配套变径三通接头通过螺纹方式配合，其中配套变径三通接头为特殊设计，上接口螺纹口径对应本设计配套传感器接头的螺纹尺寸，如图2 所示。水质检测传感器可根据需求变换不同类型传感器，包括pH 传感器、电导率传感器、余氯传感器等。配套变径三通接头接入管道后，其上接口与水平地面的设计角度为60°，如图3 所示，此设计角度可方便工作人员安装、更换传感器。

图2 在线水质检测系统

图3 系统安装角度示意

3.3 在线实时监测系统

在线实时监测系统通过水质检测传感器检测pH、余氯等水质参数，通过智能网关系统将数据经由通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）网络与基站将数据传输到云平台上，相关工作人员可通过电脑、手机等移动终端在线查看水质数据（图4）。该在线实时监测系统数据传输速度快，智能网关系统安全可靠，可实现长时间在线监测。

图4 在线实时监测系统

3.4 智能网关系统

智能网关系统主要实现信号处理功能，水质检测传感器检测到的模拟信号经滤波器滤波后，由模拟数字转换器把模拟信号转换成数字信号，再经调制模块调制放大后，经串口模块传输到STM 32 单片机，串口模块能够同时接收多个485 通信的信号，实现多信号传输、采集，再由频带模块调制后经基站传输至云平台。

4 使用方法

将血液透析用水水质检测系统安装在传统血液透析水处理系统末端，通过AD 485 转换模块进行实时数据采集并与STM 32 进行通信，通过传输控制协议/网际协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）连接到监控系统上位机。监控系统上位机通过智能网关与云平台进行通信，将数据存入云平台数据库。工作人员通过网页端或手机端访问云平台，实时监控水处理设备的运行信息、操作信息、报警信息以及历史数据，然后进行下一步操作。

5 创新点

（1）本系统涉及的在线水质监测系统可安装在传统血液透析水处理系统末端，可实现对血液透析水处理系统处理后的血液透析用水的高精度监测功能。

（2）本系统涉及智能网关的设计及制作，滤波器和调制模块的选取，以及STM 32 单片机的程序开发。

（3）本系统的水质检测传感器与配套变径三通接头通过螺纹方式配合。其中，配套变径三通接头为特殊设计，上接口的螺纹口径对应本系统配套的各类传感器接头的螺纹尺寸，可根据检测需求，随时拆卸更换所需传感器。此外，配套变径三通接头的上接口与水平地面的设计角度为60°，此设计角度可方便工作人员安装、更换传感器。因此，本系统在结构设计上实现了随时更换传感器，拆卸简便，节省空间等效果。

6 结语

本文设计的在线血液透析用水水质监测系统结合了最先进的物联网、云计算、传感器、自动控制等技术，可以在电脑、手机等移动终端实时显示联网设备的运行情况，同时通过大数据分析，对水处理设备的横向数据（不同设备之间的数据）与纵向数据（单一设备的历史数据）进行统计，解决血液透析中心在水处理过程中存在的能耗、成本、安全、设备管理、劳动生产率等方面的问题,为设备运维、售后服务、设备升级、故障告警、故障排查等方面提供强有力的支持。