陳旭創(chuàng)，龍碧連，潘遠(yuǎn)文，許旭光 （通信作者）

佛山市第一人民醫(yī)院 1 醫(yī)療設(shè)備科，2 鼻咽喉頭頸外科 （廣東佛山 528000）

呼吸機(jī)患者回路的溫濕度控制對呼吸系統(tǒng)疾病患者的治療起著至關(guān)重要的作用，溫濕度過高或過低都會對患者的恢復(fù)造成影響[1-2]。目前，臨床關(guān)于溫濕度傳感器與無線通信技術(shù)相結(jié)合的呼吸機(jī)患者回路無線溫濕度監(jiān)控方面的研究較少[3-4]。傳統(tǒng)呼吸機(jī)患者回路的溫濕度控制是通過外置簡易溫濕度發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)，通過濕化器內(nèi)加入蒸餾水進(jìn)行檔位控制，該方法具有溫濕度監(jiān)測靈敏度低、反應(yīng)慢、冷凝水多、有線溫度探頭容易斷裂等缺點(diǎn)。

本研究設(shè)計(jì)了一種呼吸機(jī)患者回路溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，在傳統(tǒng)濕化器的基礎(chǔ)上，采用基于Zigbee無線通信技術(shù)的射頻收發(fā)器CC2530芯片[5-6]、Sensirion公司的SHT35溫濕度傳感器[7]、陶瓷霧化片和加熱絲構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)對患者回路溫濕度的無線精確采集與控制，該系統(tǒng)具有不受環(huán)境條件制約、靈敏度高、容易擴(kuò)展、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，有助于提升使用呼吸機(jī)患者的治療效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于Zigbee無線通信技術(shù)的呼吸機(jī)患者回路溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其整體架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)架構(gòu)分為控制和采集2個(gè)部分，控制部分（圖1濕化裝置）主要包括控制端的主機(jī)芯片CC2530和3.3 V、5 V、12 V電源模塊，以及OLED顯示模塊、溫濕度控制模塊、溫濕度報(bào)警模塊；采集部分（圖1溫濕度傳感器）主要包括采集端的從機(jī)CC2530芯片、3.3 V電源模塊、溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、鋰電池。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路包括控制端電路和采集端電路。系統(tǒng)硬件模塊框架：3.3 V電源模塊為主從單片機(jī)供電，溫濕度監(jiān)測模塊監(jiān)測呼吸機(jī)患者回路的溫濕度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；具有收發(fā)功能的采集端從機(jī)CC2530無線通信模塊將信息發(fā)送給控制端主機(jī)，主機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)將信息發(fā)送給OLED顯示模塊[8]，并通過溫濕度控制模塊控制霧化片、加熱絲實(shí)現(xiàn)對溫濕度的調(diào)控，見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊框架

2.1 控制端電路設(shè)計(jì)

控制端電路（圖3）是在傳統(tǒng)濕化器基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主要包括CC2530的基礎(chǔ)外圍電路、OLED顯示電路、霧化片驅(qū)動電路、加熱絲驅(qū)動電路、Buzzer報(bào)警電路，以及將AC220轉(zhuǎn)成DC 12 V降壓成5 V再降壓成3.3 V的一系列電源電路。

如圖3的U1所示，CC2530的40引腳（DCOUPL）通過去耦電容C14 （1uF）可以提供一個(gè)比較穩(wěn)定的1.8 V去耦電壓；32、33腳使用C15、C16及晶振Y2（XTAL）構(gòu)成32.768 kHz的輔助晶振電路；30引腳（RBIAS）連接一個(gè)56 kΩ的偏置電阻，為晶振提供合適的工作電流；而32 MHz的主晶振電路是由23、22腳的C17、C18及晶振Y1（XTAL）構(gòu)成；20引腳（RESET）通過網(wǎng)絡(luò)符號連接了按鍵開關(guān)S3和電容C21構(gòu)成一個(gè)復(fù)位電路；26引腳（RF_N）負(fù)責(zé)收發(fā)負(fù)向射頻信號，25引腳（RF_P）負(fù)責(zé)收發(fā)正向射頻信號，該端口由C10、C12、L2和L3組成的不平衡變壓器以及C19、C13和C11組成的π型LC濾波器和天線之間達(dá)到最佳的阻抗匹配。

圖3 控制端電路原理

霧化片驅(qū)動電路由DC 12 V供電，CC2530芯片的P0_3/INC引腳下降沿有效，允許調(diào)節(jié)數(shù)字電位器X9C104、P0_2/U/D引腳高低電平變化調(diào)節(jié)輸出電阻值Rw，以此來控制Y1霧化片兩端的電壓OUT+、OUT-達(dá)到控制霧化量的大?。桓苫晒苡糜诒O(jiān)測濕化瓶液位高低并產(chǎn)生中斷防止干燒；加熱絲電路由DC 5 V供電，通過P2_0口產(chǎn)生間斷的低電平信號，經(jīng)過光電隔離MOC3021控制三端雙向可控硅驅(qū)動加熱絲工作。

2.2 采集端電路設(shè)計(jì)

采集端電路（圖4）主要包括CC2530的基礎(chǔ)外圍電路、SHT35溫濕度傳感器的外圍電路、DC 3.7 V鋰電池轉(zhuǎn)換DC 3.3 V供芯片的電源電路。傳感器電路設(shè)計(jì)見圖4中的U2,其SDA引腳本質(zhì)上是一個(gè)三態(tài)門，用于實(shí)現(xiàn)CC2530和SHT35傳感器之間的串行數(shù)據(jù)讀??；引腳SDA上的狀態(tài)由引腳SCL上的串行時(shí)鐘控制；在傳輸數(shù)據(jù)和發(fā)送指令數(shù)據(jù)過程中，為防止發(fā)生沖突，CC2530需要驅(qū)動SDA處于低電平狀態(tài)，并且通過在SDA引腳上加上一個(gè)10 kΩ的上拉電阻將電平信號上拉至高電平；傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過SDA引腳送入CC2530的P0_5口；SCL引腳與CC2530的P0_6口連接提供系統(tǒng)時(shí)鐘。

圖4 采集端電路原理

3 系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是Zigbee無線通信、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集、OLED屏顯示、溫濕度控制、報(bào)警控制等的代碼實(shí)現(xiàn)。本研究軟件開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051，Zigbee的協(xié)議棧為TI的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，使用C語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，利用SmartRF Flash Programmer軟件下載程序，使用串口調(diào)試軟件sscom32進(jìn)行傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。

軟件系統(tǒng)整體運(yùn)行流程（圖5）：控制端和采集端系統(tǒng)上電，執(zhí)行延時(shí)程序穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化（包括CC2530芯片初始化、IIC初始化、SHT35溫度傳感器初始化、OLED初始化等）；采集端CC2530芯片執(zhí)行寫IIC Address命令和16 bit Fetch Data 命令，SHT35收到命令后返回6個(gè)字節(jié)的數(shù)組（包括16位溫度、16位濕度、8位溫度crc校驗(yàn)、8位濕度crc校驗(yàn)）；解析數(shù)組得到溫濕度信息并發(fā)送給控制端，控制端經(jīng)過報(bào)警上下限判斷溫濕度高低，并執(zhí)行相應(yīng)的控制程序驅(qū)動霧化片，最后將采集到的相關(guān)信息顯示到OLED屏上面。

本系統(tǒng)軟件程序中的自動讀取溫濕度部分程序代碼，如下：

SHT3X_Init(0x44);//傳感器初始化

IIC_Init(); //IIC 初始化

圖5 軟件系統(tǒng)的整體流程

// wait 50ms after power on 開機(jī)后50ms的延時(shí)

DelayMicroSeconds(50000);

HalLcdInit(); //oled 初始化

LCD_CLS(); //清屏

LCD_welcome(); //歡迎界面

SHT3x_ReadSerialNumber(&serialNumber); //讀取系列號

SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_CLKSTRETCH, 50);

SHT3X_GetTempAndHumi(&temperature, &humidity,REPEATAB_HIGH, MODE_POLLING, 50);

while(1)

SHT3X_ReadStatus(&status.u16);

//以高重復(fù)性和每秒1次測量開始定期測量

SHT3X_StartPeriodicMeasurment(REPEATAB_HIGH,FREQUENCY_1HZ);

//讀取測量緩沖區(qū)

error == SHT3X_ReadMeasurementBuffer(&temperature,&humidity);

if(error == NO_ERROR)

{

sprintf(Temp_str,"%.2f",( (float)(int)((temperature+0.005)*100 ) ) /100);

sprintf(Humi_str,"%.2f",( (float)(int)( (humidity+0.005)*100) ) /100);

LCD_P8x16Str(8, 0, " Pipe Temp&Humi");

LCD_P8x16Str(8, 2, "Loading per 1 s");

LCD_P8x16Str(10, 4,"Temp:");

LCD_P8x16Str(54, 4,Temp_str);

LCD_P8x16Str(100, 4,"C");

LCD_P8x16Str(10, 6,"Humi:");

LCD_P8x16Str(54, 6,Humi_str);

LCD_P8x16Str(100, 6,"%RH");

}

DelayMicroSeconds(300000);

}

4 測試結(jié)果

將設(shè)計(jì)實(shí)物應(yīng)用于呼吸機(jī)PB840（Tyco Healthcare公司的PURITAN BENNETT系列呼吸機(jī)）上，將呼吸機(jī)置于溫度24 ℃、相對濕度56%RH的環(huán)境中，使用中央供應(yīng)空氧氣體；呼吸機(jī)參數(shù)設(shè)置為A/C模式，呼吸頻率16次/min，使用21%的空氣進(jìn)行測試。

根據(jù)臨床的呼吸系統(tǒng)疾病患者使用情況，在患者呼氣期間進(jìn)行溫濕度控制，傳感器測試點(diǎn)設(shè)置在Y型口處，見圖6。5組測量值見表1。

圖6 測試實(shí)物

表1 呼吸回路溫濕度設(shè)置值和測量值

我們將系統(tǒng)硬件應(yīng)用于PB840呼吸機(jī)的患者回路，將各部分硬件模塊進(jìn)行連接，系統(tǒng)上電開機(jī)，經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定后，系統(tǒng)可自動獲取溫濕度數(shù)據(jù)[9-10]，OLED屏顯示溫濕度結(jié)果；先進(jìn)行溫度監(jiān)控，獲取表1左側(cè)溫度數(shù)據(jù)，最大誤差不超過0.16%；再將溫度控制在37 ℃，經(jīng)過多次測量求均值，發(fā)現(xiàn)測量所得濕度數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，最大誤差不超過0.22%RH；最后經(jīng)過多次調(diào)試，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以滿足臨床應(yīng)用需求。

5 結(jié)論

本研究基于臨床對呼吸機(jī)患者回路溫濕度監(jiān)控的需求，結(jié)合文獻(xiàn)綜合研究法，設(shè)計(jì)基于Zigbee無線通信技術(shù)的呼吸機(jī)患者回路溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對呼吸機(jī)患者回路溫濕度的精確監(jiān)測，可有效控制患者回路的溫濕度值，為呼吸系統(tǒng)疾病患者提供最佳的輔助治療方案，并有效避免了傳統(tǒng)溫濕度傳感器有線易損、測量不精確、速度慢的缺點(diǎn)[11-12]。該系統(tǒng)以最新的高速度、高精度的SHT35傳感器為基礎(chǔ)，可以作為經(jīng)典案例供同行參考，其優(yōu)點(diǎn)是溫濕度監(jiān)測精度高、反應(yīng)快、價(jià)格低廉、組網(wǎng)快捷。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以滿足臨床對于呼吸管路溫濕度監(jiān)控的需求，降低了維護(hù)成本，并能長時(shí)間穩(wěn)定工作，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但是，該系統(tǒng)在溫濕度控制方面仍需要進(jìn)行改進(jìn)，下一步是將控制端、采集端模塊進(jìn)行外形設(shè)計(jì)，以便能夠更好地應(yīng)用于臨床，并從呼吸機(jī)患者回路溫濕度監(jiān)控智能化、局域網(wǎng)絡(luò)化、手機(jī)APP多節(jié)點(diǎn)控制等方面進(jìn)行研究。