呼吸机数据采集监控系统设计

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1、呼吸机数据采集监控系统设计洪范宗;蔡雅玲;田君鹏;陈秀凤【摘要】目的:设计一种独立的呼吸机数据采集监控系统，为工程师检修呼吸机提供 方便、可靠的参考信息.方法:该系统主要分为数据采集与监控2个模块.其中，数据 采集模块选用MSP430F149单片机作为主控芯片，实现装备运行数据的实时采集与 存储;监控模块则选用STM32单片机作为主控芯片，实现装备监测、控制服务器串 口转换及其数据通信功能.运用无线模块NRF24L01实现采集模块与监控模块之间 的数据无线传输.结果:该系统实现了对呼吸机运行日志信息的实时采集与存储，能够 将采集到的数据信息完整地传输至服务器，以供工程师查看结论:该系统克服了人

2、工 采集静态输入的缺陷，可以进行基本的风险分析，有助于工程师了解呼吸机运行过程 中的状态，对工程师的监测、维修工作具有很好的指导意义.Objective To design a data acquisition and monitoring system to facilitate the maintenance of the ventilator.Methods The system was composed of two modules of data acquisition and monitoring.The data acquisition module used MSP430F14

3、9 SCM as the master control chip to realize real-time acquisition and storage of operation data,and the monitoring module adopted STM32 SCM as the master control chip to implement equipment monitoring,server serial port conversion and data communication.Wireless data transmission between the two mod

4、ules was executed with wireless NRF24L01 module.Results The system realized real-time acquisition and storage of the ventilator log,and transmitted acquired data to the server.Conclusion The system eliminates the deficiencies of manual operation and implements basic risk analysis,and facilitates the

5、 engineer to monitor and maintain the ventilator.【期刊名称】医疗卫生装备【年(卷)，期】2017(038)007【总页数】4页(P20-23) 【关键词】呼吸机;数据采集;数据存储;无线通信;监测 【作者】洪范宗;蔡雅玲;田君鹏;陈秀凤 【作者单位】363000福建漳州解放军175医院，厦门大学附属东南医院医学工程 科;363000福建漳州,解放军175医院，厦门大学附属东南医院医学工程科;363000 福建漳州解放军175医院，厦门大学附属东南医院医学工程科;363000福建漳州解 放军175医院,厦门大学附属东南医院医学工程科【正文语种】中

6、文【中图分类】R318.6;TH776近年来，电子技术应用于医疗设备”已成为主要医疗进步方向。随着先进医疗设 备的不断应用，如何科学、高效、合理地对医疗设备进行维护管理已成为我们面临 的一大问题。众所周知，医疗装备安全性能与医疗安全息息相关，及时准确地掌握 医疗装备质量状态，变被动抢修为预防性维护是工程师一直追求的目标。呼吸机是 临床常用装备之一，更是高风险医疗装备。完整的静态设置数据、动态运行数据等 有助于工程师分析呼吸机故障及实现呼吸机质量控制。1.1呼吸机数据对维修的指导意义医疗装备实时采集到的检测数据及其他指示数据可以揭示医疗装备的状态。工程师 可通过获取医疗装备临床运行过程中的数据信

7、息，快速判断装备的故障原因，做出 相应处理。现时的医疗装备一般带有报警功能，报警时的故障代码或提示是找到故 障原因的捷径之一。以呼吸机为例，呼吸机运行状态信息有以下几类：（1）呼吸机本身信息，如呼吸 机ID号、呼吸管路类型与内径等；（2）使用者设置的静态参数，包括设定的呼 吸参数值以及报警信息的设定值，如分钟呼气量等参数的报警限值；（3）动态监 控记录信息，包括呼吸机内部传感器实时监控到的呼吸参数值以及根据传感器检测 结果估算的患者呼吸参数值等；（4）报警信息，主要指呼吸机检测到运行异常时 产生的报警信息。当呼吸机出现故障，工程师可从其反馈的内容中找到异常信息， 进而做出快速判断。如在呼吸机运

8、行反馈的信息中发现检测呼吸频率高于设定值过 多，可以推断是触发灵敏度设置过于灵敏或者是测压管内有水等1。1.2呼吸机数据应用于维护的现状不同品牌、不同型号的呼吸机通过记录数据的形式存储呼吸机状态信息。工程师可 通过连接呼吸机串口与计算机COM 口，由上位机串口助手读取数据信息。以 PB840呼吸机为例，其测试数据如图1所示。图中所示数据包含了呼吸机运行的 4种状态信息，然而通过串口读取的数据没有明确信息指向，工程师很难读懂数据 所提示的内容。又由于不同的厂家反馈的数据格式不尽相同，所以给工程师分析数 据、提取故障信息带来了一定的困难。另外，现有的一些呼吸机动态测量系统多为 采集呼吸机压力的动态

9、变化量，绘制压力变化波形，没有实现呼吸机的全面监测， 更未对异常信息进行采集处理，而且这些系统多应用于临床监测，无法为工程师维 修提供有力支持。因此，本文设计一种独立的呼吸机数据采集监控系统，采集并存储呼吸机运行过程 中的相关数据，明确所获数据对应的信息内容，实现呼吸机静态及动态信息全面、 直观的显示，为工程师检修呼吸机提供方便、可靠的参考信息。该系统主要分为数据采集模块、无线通信模块及监控模块。数据采集模块采集呼吸 机临床运行的实时数据，并将采集到的数据进行存储2-3。数据采集模块与监控 模块通过无线模块实现相互识别，当监控模块识别到附近的数据采集模块且双方通 信端握手成功后，数据采集模块将

10、所存储的呼吸机运行信息传输至监控模块，最后 由监控模块将数据传输至与其相连接的服务器，至此工程师获取呼吸机临床运行数 据成功。系统结构如图2所示。2.1数据采集模块2.1.1主控芯片数据采集模块选用16 bit超低功耗单片机MSP430F149作为主控芯片，有2个 通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART) 接口、1 个串行外设接口( serial peripheral interface，SPI)(与 UART 复用)。 设置芯片的UART0弓I脚为串口模式，将该弓I脚与电平转换模块连接，电平转换模 块将晶体管-晶体

11、管逻辑(transistor-transistor logic , TTL )电平转换为串口电 平，进而完成芯片与呼吸机的数据通信。另将UART1引脚设置为SPI通信模式， 并与无线通信模块连接，数据通过无线通信模块实现无线传输。2.1.2电源模块电源模块包含直流开关电源、电源切换电路、锂电池、充电模块和3.3 V稳压电路 等。直流开关电源将220 V交流电转换为5 V直流电。电源切换电路实现5 V锂 电池与直流开关电源之间的供电切换，确保该模块不间断供电，避免数据丢失。STM32芯片的供电电压为3.3 V，无线通信模块等的供电电压范围为1.83.6 V , 而电路输入电压为5 V，故选用LM

12、1117芯片将5 V稳压到3.3 V，实现模块上各 芯片的安全供电。2.1.3 RS-232 串口通信数据采集单片机MSP430F149的供电电压为1.8 3.6 /采用MAX3232芯片， 实现电平幅值改变，将单片机的TTL信号电平转换为装备串行口 RS-232，进而可 以与呼吸机进行数据传输4-5,如图3所示。MSP430F149单片机每隔5 min向呼吸机发送一次“SNDAvCR”查询命令， 呼吸机按照规定的格式反馈其运行状态信息，单片机将收到的数据压缩后存入存储 单元，如此即完成一次查询动作；存储单元存储完毕后MSP430F149单片机重新 计时，等待下一次计时结束后发送查询指令，如此

13、循环往复，保证呼吸机状态日志 完整接收。2.1.4 Flash 存储Flash芯片可掉电存储，结构简单。存储前对数据进行压缩处理，其压缩格式由3 个部分组成，分别为数据类型标记、字节差别标记、差别字节信息。数据类型标记 长度为4 B，用于标记当前数据是MISCA信息还是MISCF信息；字节差别标记 用于标记相邻两次记录的信息对应字节是否有差别，有差别时对应的字节记为1， 否则记为0，故该字段的总长度等于运行状态信息的总字节数除以8，然后再对字 节差别标记信息进行游程长度编码，大幅提高了数据的压缩比；差别字节信息用于 按顺序存储当前运行状态信息中所有与上次保存的记录值不相同的字节内容。2.2无线

14、通信模块系统选用NRF24L01无线通信模块实现无线通信，该模块射频(radio frequency , RF)收发工作于2.4 2.5 GHz6-7。该模块内部集成了所有与射频协议相关的高 速信号处理部分，如自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，输出功率和通信 频道可通过程序进行配置，有多种低功耗工作模式，例如掉电模式和空闲模式等， 方便实现节能设计。2.3监控模块监控模块选用单片机STM32作为主控芯片，STM32的P1.0 P1.5引脚模拟SPI 通信方式与NRF24L01连接，控制NRF24L01进行数据的无线收发，且该芯片的 UART引脚经MAX3232转换为串口电平，串口电平再由

15、PL2303模块实现RS- 232转USB。监控模块通过USB接口与医学工程科服务器连接，当监控模块接收 到服务器发送的指令时，开始扫描并识别附近的NRF24L01模块，数据采集模块 端与监控模块端的通信握手成功后，监控模块向数据采集模块发送读取数据命令， 数据采集模块将存储单元中的信息经NRF24L01传输给监控模块，再由监控模块 传给服务器，完成呼吸机与服务器之间的无线通信。呼吸机及数据采集模块同时上电，同时系统初始化，存储器清空并开始计时，定时 中断触发系统进行数据查询，Flash保存前后存在差异的运行记录，同时数据先压 缩后存储，更大地节约存储空间。呼吸机掉电后，系统会自动切入电池供电

16、模式， 等待数据全部存储完毕。该系统工作流程图如图4所示。数据监控模块通过硬件部分实现TTL-串口转换，计算机上位软件向系统发送读命 令，系统将所存储的数据发送至上位机，上位机接收数据并将其翻译为相应的文字 信息，系统发现异常信息后报警，提示人员及时处理。上位机自动将这些数据及文 字信息进行分类处理，例如：对异常信息（报警信息或越界信息）进行分类存储等。 最后，工程师对呼吸机进行维护后做相应的维护记录，有助于后期查询。呼吸机的串口通信协议由厂家设定，包括通信命令及反馈数据格式等内容，表1 所示为上位机向PB840呼吸机发送“SNDAvCR”查询命令后得到的一组完整 的测试数据，信息数据包括呼吸

17、机本身信息（如呼吸机ID号、内部时间日期）、 静态设置、动态监测、报警信息等。对PB840呼吸机作相应测试。图5为呼吸机状态日志记录。该系统可接收完整的 呼吸机状态日志，工程师通过查询命令来读取呼吸机状态信息。该系统在实现了呼 吸机数据采集与无线传输的同时，还明确了数据对应的信息内容，便于工程师直观 地看到仪器故障信息，也可根据静态设置与动态数据之间的差异来快速判断仪器故 障，根据临床故障的发生时间查询当时呼吸机的报警信息、静态设置信息和动态监 测记录等，帮助工程师快速检测故障，提高呼吸机检修效率。如图6所示，上位 机采集到报警错误代码，并将其译成所对应的文字信息，工程师可在上位机数据查 询与

18、分析处查找异常信息及异常发生时间，并根据所采集到的数据做相应的维护。 呼吸机数据采集系统实现了对呼吸机运行数据的实时采集与存储，克服了现有医疗 设备质量控制人工采集、静态输入的缺陷。该设计采集到的数据最后传输到医学工 程科服务器，同时进行基本的风险分析，从而有助于工程师了解呼吸机运行过程中 的状态，进而判断呼吸机的故障来源及呼吸机需要检测、保养的部件，迅速找到排 除故障的方法。【相关文献】1 迟戈，王亚南，刘杨，等.医用电气设备可预见的风险及控制J.中国药事，2009（6）： 553556.2 洪范宗，王伟，苏秋玲.呼吸机运行状态监控装置：201420636493.3P.2015-01-28.3 洪范宗，王伟，苏秋玲.呼吸机运行状态监控装置及其监控方法：104463411AP.2015-03-25.4 潘方.RS232串口通信在PC机与单片机通信中的应用J.现代电子技术，2012（13）： 69-71.5 黄燕妮，王少云.USB、RS232/RS422接口转换电路的设计J.电子设计工程，2012（22）： 27-29.6 潘勇，管学奎，赵瑞.基于NRF24L01的智能无线温度测量系统设计J.电子测量技术，2010 （2）： 120-122.7 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输J.应用科技，2008（3）： 55-58.