重癥監護病房環境參數無線監測系統的設計

雷太榮,鄧 霄

(1.太原科技戰略研究院,太原030009;2.太原理工大學物理與光電工程系,太原030024)

重癥監護室(ICU)是醫院ΙΙ類環境中最應引起重視的高危易感區,如果室內空氣的溫濕度條件不合格,不僅會增大人體的發菌量而且會引發微生物的二次繁殖,將對病人造成二次感染,加重病情。相關研究表明[1]：在溫度26～31℃和相對濕度77～80%的環境中病菌最適宜生存,即在此條件下的人群最容易受到感染。同時,如果醫院的各級環境不能保證相互間存在一定壓力梯度,將會造成病菌的彌散傳播和病人的交叉感染。2004年,我國相關部門已經對醫院中不同科室的溫濕度和壓力條件作了規定[2]。這充分說明了對病房尤其是重癥監護病房的溫濕度和壓力監測是非常必要的。

目前,醫院重癥監護室對環境參數的監測主要依靠各種手持設備,監測方式完全依賴人工觀測,其缺點是不能保證數據的實時性、準確性、可靠性,不能實現相應監測數據的綜合管理、分析以及實時報警等功能,嚴重制約了醫院的信息現代化發展進程。

基于上述原因,筆者提出了基于GPRS技術的重癥監護病房環境參數無線監測系統的構建方法,該系統具有實時采集病房中的相關參數(溫度、濕度、壓力)、自動報警、無線組網以及數據庫管理等功能,對重癥監護室環境指標的智能化控制具有一定的指導作用。

1 系統組成與功能分析

通過實地考察重癥監護室,并結合院方對病房環境數據無線監測系統的具體需求,系統組成如圖1所示,其功能如下。

圖1 系統組成示意圖

1.1 病房數據采集儀的功能

1)通過信號電纜實現監測點溫度、濕度、壓力傳感器信號的輸入;

2)通過MSP430F149單片機實現對監測信號的采樣、濾波、計算、存儲(存儲信息半年)、顯示處理,并具有對遙測命令進行識別、執行的功能;

3)通過液晶顯示器實現日期、時間、溫度值、濕度值、壓力值的實時顯示;

4)通過面板鍵盤實現對日期、時間、發送時間間隔等參數的預置;

5)提供標準RS232接口,通過GPRSDTU可實現與任何一臺上網微機的數據交互。

1.2 監測中心功能

由設置于醫院監控室的安裝有通用組態軟件并且能接入萬維網的PC管理微機和打印機組成,具有如下基本功能。

1)在Windows2007/XP環境下,通過良好的多媒體人機界面(組態王)實現監測中心站與監測點的數據采集、命令發送、以及后期數據整理等功能。

2)通過GPRS無線傳輸方式實現與重癥監護室數據采集儀的雙向數據通信、歷史數據查詢、存儲和分析等功能。

3)通過數據庫實現對實時、歷史數據的管理,并具有查詢、打印等功能。

2 現場數據采集儀硬件及軟件設計

2.1 采集儀硬件設計方案

根據重癥監護室對溫度、濕度、壓力數據查詢的需要,終端的硬件系統設計(如圖2所示)原則如下：

1)采集儀的應用環境對可靠性要求較高,所以硬件電路設計需重點圍繞提高外圍工作電路的可靠性進行。

2)系統對中斷的異步響應能力是驗證系統穩定性的一個重要方面,本系統需要及時響應數據采集中斷以及數據通信中斷,因此增加中斷源可以更好的驗證系統可靠性與穩定性。

3)基于GPRS的通用分組無線技術是今后一段時期內數據自動化報送方式的主流方向,因此采用GPRSDTU作為本系統的無線通訊設備。

圖2 終端硬件系統設計示意圖

2.2 采集儀軟件設計方案

采集儀器的軟件設計中,充分考慮到與硬件體系的有機結合,利用MSP430F149的優異特性實現對病房溫濕度及中央空調入口壓力的準確測量。系統軟件采用模塊化形式,通過各模塊間子程序的調用,使程序更合理,更具有可讀性。

系統軟件主要由主程序、壓力數據采集程序、溫濕度采集程序、報警程序、實時時鐘程序、鍵盤和LCD液晶顯示程序、SD卡存儲程序、數據接收與發送程序等模塊構成。

2.2.1 主程序的具體工作流程如圖3所示

圖3 終端軟件設計流程示意圖

系統上電對各個模塊初始化后,LCD根據變量screen的當前值在屏幕中分別顯示時間、壓力值和溫濕度值。當時鐘芯片的分鐘中斷程序置位后,主程序進行空氣參數數據的采集,然后判斷當前時間是否為上午九時、中午十二時或下午十七時,如果是就將數據存儲到時鐘芯片的E2PROM和SD卡內,并向中心管理微機發送當前數據值,最后返回顯示。

2.2.2 GPRS方式通信子程序

GPRS方式數據通信程序需要完成以下功能。

a.接收管理PC機調用命令(包括實時查詢和歷史查詢)并根據不同的命令向PC機返回現場重癥監護室的環境數據信息。

b.系統每天運行到規定的上報時間時,向管理微機發送當前重癥監護病房的環境數據信息。

3 環境數據的傳輸格式

在信號的傳輸過程中,噪聲是以隨機字節出現的,可能是任意字節的組合。為了能夠分辨信號噪聲和有效數據,本系統采用了Unicode編碼技術,定義的數據傳輸格式如表1所示。

表1 數據的傳輸格式

3.1 監測中心命令幀

1)實時查詢命令。WXA75C5623F代碼的翻譯：查詢ICU A當前的實時數據,并返回中心站。

表2 監測中心命令幀格式

2)歷史查詢命令。

表3 歷史查詢命令幀格式

WXA538653F2003000395E74003100306708003 1003865E50032003065F6代碼的翻譯：查詢10年10月18日20點的歷史數據,并返回中心站。

3.2 數據采集儀返回數據幀

表4 數據采集儀返回數據幀格式

WXA30393130323831323235203232393620363 533312D31363333代碼的翻譯：返回ICU A站點10年10月28日12點25分的監測數據,其中溫度為22.96℃,相對濕度為65.31%,室內負壓為-16.13 Pa.

4 監測中心軟件設計

監測中心軟件采用的是北京亞控科技開發的組態王6.53。該軟件采用了多線程、COM組件等新技術[3],通用性強,完全可以滿足本系統在實際工作中的需求。

4.1 數據通信界面

數據通信是本軟件的核心,主要功能是實現與現場數據采集儀的無線通信,并將接收到的包括日期、時間、溫濕度、壓力等現場數據顯示到畫面上。

4.2 歷史曲線查詢界面

組態王的實時數據和歷史數據除了在畫面中以值輸出的方式和以數據庫顯示外,還可以用歷史曲線的形式顯示,如圖4所示。

圖4 重癥監護室數據歷史曲線

5 實驗測試與數據分析

筆者利用該系統對重癥監護室的溫度、濕度以及病房負壓進行了測量,為了驗證系統監測數據的準確性,同時采用其他測試設備與以上三個物理參量進行了比對性數據分析。

5.1 溫濕度測試與分析

現場采集儀內置瑞士Sensiron公司生產的具有內置溫度補償功能的SHT75一體式溫濕度傳感器(精度±0.3℃,±1.8%相對濕度),比對實驗使用川儀的便攜式溫濕度計(精度±0.1℃,±0.1%相對濕度),由于實驗環境的局限,采用室內加濕器、室內空調分別作為控濕和控溫設備。

圖5 溫濕度實驗數據曲線圖

從圖5顯示的溫濕度比對結果看,現場數據采集儀讀出的數值與便攜式溫度計指示值相差較小,溫度差保持在±0.3℃,濕度差保持在±1.5%相對濕度,完全能夠滿足現場使用。

5.2 氣壓測試與分析

現場采集儀對負壓的測量采用美國西特的MODEL268電容式微差壓變送器,實驗方案為：在一臺溫控箱中分別放置370數字式標準氣壓計與現場采集儀,以國家計量站檢定標準器的環境溫度24℃為參考條件[4],并將二者置于同等高度。從基態開始以每20 min,溫度變化2℃為步長,共讀取8組顯示值。

從圖6所示的壓力比對結果看,現場數據采集儀讀出的數值與370數字式標準氣壓計指示值基本相差不大,壓力誤差保持在±1.0 hPa左右,具有很好的準確度和穩定性。

由于篇幅所限只列出了一次的實驗數據,從實際運行來看該系統接收、顯示數據準確,能夠及時反映重癥監護室相關溫度、濕度以及壓力的參數信息,而且與常規同類便攜式測量裝置所測得數據相差較小,數據的可靠性高。

圖6 壓力實驗數據曲線圖

6 結論

介紹了基于GPRS的重癥監護病房環境參數無線監測系統的結構與軟硬件設計,著重闡述了系統的組成、遠程數據通信方式以及管理軟件的功能。經過一段時間的實驗測試運行,環境數據能夠被準確的解碼、顯示、傳輸和存儲。系統功能完善、運行狀態良好、具有一定的應用推廣價值。

[1] 潘云川,莫成錦,陳彥堃,等.燒傷創面真菌的流行病學調查[J].中國燒傷創瘍雜志,1999(2)：12-14.

[2] 陶師魯.《綜合醫院建筑設計規范》簡介[J].中國醫院管理,1984(2)：57-59.

[3] 汪志峰.工控組態軟件[M].北京：電子工業出版社,2007.

[4] 羅淇朱,樂坤,高林,等.自動氣象站氣壓傳感器現場校準方法[J].氣象科技,2008(4)：499-501.