一種嬰兒培養(yǎng)箱中央溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

湯棟生

廈門市婦幼保健院 運(yùn)營(yíng)管理部，福建 廈門 361003

引言

嬰兒培養(yǎng)箱為低體重兒、病危兒、新生兒恒溫培養(yǎng)、新生兒體溫復(fù)蘇等營(yíng)造一個(gè)空氣適宜、溫濕度適宜、溫暖舒適、類似母體子宮的優(yōu)良環(huán)境，從而對(duì)嬰兒進(jìn)行培養(yǎng)和護(hù)理[1]?，F(xiàn)存的嬰兒培養(yǎng)箱都具有溫度監(jiān)測(cè)和溫度報(bào)警裝置，用于對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱箱體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近年來各種低體重兒、病危兒等人數(shù)的增加，醫(yī)務(wù)人員在看護(hù)過程中不能每時(shí)每刻關(guān)注每一臺(tái)嬰兒培養(yǎng)箱的溫度情況，因此當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)無法及時(shí)停止治療或者調(diào)整治療方案，導(dǎo)致新生兒在嬰兒培養(yǎng)箱治療過程中被燒傷的事件在不斷上升[2]。

基于上述情況，設(shè)計(jì)一種嬰兒培養(yǎng)箱中央溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用AT89C51為主控芯片，以DS18B20為傳感器采集箱體溫度，進(jìn)而把監(jiān)測(cè)溫度顯示在中央溫度監(jiān)測(cè)軟件上，便于醫(yī)務(wù)人員對(duì)所有嬰兒培養(yǎng)箱箱體溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)對(duì)各種嬰兒培養(yǎng)箱的溫度監(jiān)測(cè)采用以外接的方式加入溫度監(jiān)測(cè)模塊，再通過數(shù)據(jù)線將監(jiān)測(cè)溫度傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)的采集卡，最后通過監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)溫度[3]。

1 設(shè)計(jì)路線和實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)嬰兒培養(yǎng)箱溫度監(jiān)測(cè)模塊，再設(shè)計(jì)中央溫度監(jiān)測(cè)模塊。每一個(gè)嬰兒培養(yǎng)箱可以內(nèi)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)模塊，然后再把所以溫度監(jiān)測(cè)模塊采集的溫度集中顯示在中央監(jiān)測(cè)軟件上[4]。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 中央溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的主芯片為AT89C51，是一款低電壓、高性能CMOS的8位微處理器。內(nèi)置4 K可編程FLASH存儲(chǔ)器、32可編程I/O線、128×8位內(nèi)部RAM、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、低功耗的閑置和掉電模式等，其電路部分包括電源電路、主控制電路、按鍵電路、溫度采集電路、數(shù)碼管顯示電路、數(shù)據(jù)傳輸電路[5]。其系統(tǒng)框圖，見圖2。

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

1.1.1 主控制電路

主控制電路采用AT89C51為主控制器，其VCC接+3 V給整個(gè)電路供電，X1接口、X2接口連接晶振電路，Y1晶振為單片機(jī)提供晶振頻率，C5、C6為濾波電容，提供晶振電路的穩(wěn)定性，PZ2用于接上拉電阻，一是提供端口驅(qū)動(dòng)能力，二是防止端口懸空，提供系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。其電路圖，見圖3。

圖3 主控制電路

1.1.2 溫度采集電路

系統(tǒng)采用的溫度傳感器為DS18B20，其供電電壓范圍為+3.0～5 V，測(cè)溫范圍為-55°～+125°，可通過編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀書方式，用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值，具有接口簡(jiǎn)單、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[7]。其電路圖，見圖4。

圖4 溫度采集電路

從圖中可知，溫度傳感器與主控制器只需一條線就可實(shí)現(xiàn)雙向通行。DS18B20的DQ端連接主控制器的P1.0端，VCC端連接輸入電壓，并通過R18連接信號(hào)通行線，GND連接地[8]。

1.1.3 數(shù)據(jù)輸出電路

系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)诫娔X主機(jī)的采集卡上，再通過中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示監(jiān)測(cè)溫度。主控制器的串行接口是一個(gè)可編程的全雙工串行通訊接口，本系統(tǒng)采用異步通訊方式與串行傳送信息的采集卡相連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采集溫度的數(shù)據(jù)傳輸。其電路，見圖5，芯片MAX232的T1.1端、R1.0端連接主控制器的P3.1端、P3.0端；T1.0端、R1.1端通過串口線連接計(jì)算機(jī)主機(jī)的采集卡。該電路通過C1+、C1-連接 C7；C2+、C2-連接 C8；VCC、V+連接C9；V-、GND連接C10，用于穩(wěn)定系統(tǒng)[9]。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸電路

1.1.4 按鍵電路、顯示電路和報(bào)警電路

系統(tǒng)通過按鍵電路可以設(shè)定嬰兒培養(yǎng)箱的報(bào)警溫度和復(fù)位程序，系統(tǒng)把監(jiān)測(cè)的溫度顯示在數(shù)碼管上，當(dāng)監(jiān)測(cè)的溫度與設(shè)定溫度相差超過2℃時(shí)，會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路[10]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)會(huì)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化并掃描按鍵，在采集溫度數(shù)據(jù)之前先對(duì)溫度傳感器進(jìn)行初始，接著進(jìn)行溫度采集并進(jìn)行顯示，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度異常時(shí)，報(bào)警電路進(jìn)行報(bào)警，并把溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的采集卡上，通過中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行溫度顯示[11]。其主程序，見圖6。

圖6 主程序流程圖

2 溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

嬰兒培養(yǎng)箱中央溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)用戶自定義選擇監(jiān)測(cè)嬰兒培養(yǎng)箱的臺(tái)數(shù)，并可以在軟件上設(shè)定培養(yǎng)箱名稱、培養(yǎng)箱位置、監(jiān)測(cè)時(shí)間、溫度設(shè)定值、溫度采樣值等參數(shù)[12]。其臨床參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，見表1。

在嬰兒培養(yǎng)箱溫度監(jiān)測(cè)過程中，每一個(gè)需要監(jiān)測(cè)的培養(yǎng)箱連接到計(jì)算機(jī)的串口上，通過軟件設(shè)置培養(yǎng)箱的位置、監(jiān)測(cè)時(shí)間和培養(yǎng)箱本身設(shè)置的溫度值，進(jìn)而開始對(duì)培養(yǎng)箱進(jìn)行溫度采樣，當(dāng)采樣的溫度值超出報(bào)警值時(shí)，溫度采樣值出現(xiàn)為紅色閃爍，提示工作人員溫度異常，盡快查看相應(yīng)嬰兒培養(yǎng)箱的運(yùn)行情況[13-14]。本系統(tǒng)設(shè)定的中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大溫度超過2℃時(shí)，會(huì)強(qiáng)行啟動(dòng)報(bào)警，提示醫(yī)務(wù)人員設(shè)備運(yùn)行異常；系統(tǒng)根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的要求，可自行設(shè)定報(bào)警溫度的界限，從表1可知，本系統(tǒng)的采集的溫度跟設(shè)定值相比，溫差僅為0.2℃，符合設(shè)備的使用要求。

表1 嬰兒培養(yǎng)箱中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臨床使用參數(shù)表

在嬰兒培養(yǎng)箱溫度的監(jiān)測(cè)上，傳統(tǒng)的培養(yǎng)箱都自帶有溫度監(jiān)測(cè)裝置，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嬰兒培養(yǎng)箱中央溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其自帶的溫度監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)四臺(tái)嬰兒培養(yǎng)箱的37℃溫度監(jiān)測(cè)對(duì)比，結(jié)果見表2。

表2 四臺(tái)嬰兒培養(yǎng)箱的37℃溫度監(jiān)測(cè)對(duì)比 (℃)

通過測(cè)試，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的溫度值與嬰兒培養(yǎng)箱自帶的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一樣精確。本系統(tǒng)可以把臨床科室所以的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果集中到護(hù)士站上，便于護(hù)士的實(shí)時(shí)觀察，進(jìn)一步保證護(hù)士在臨床護(hù)理過程中及時(shí)關(guān)注設(shè)備的運(yùn)行狀況，保證患者的使用安全。

3 討論

嬰兒培養(yǎng)箱通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)箱體溫度實(shí)施伺服控，根據(jù)設(shè)置溫度與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行比例加熱控制，進(jìn)而為新生兒患者提供舒適的生存環(huán)境。本系統(tǒng)針對(duì)目前大部分嬰兒培養(yǎng)箱沒有進(jìn)行中央溫度監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致有些新生兒被燒傷的情況，設(shè)計(jì)一種中央溫度監(jiān)測(cè)系，只需以外接的方式采集嬰兒培養(yǎng)箱的箱體溫度，進(jìn)而顯示在中央監(jiān)測(cè)軟件上，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。該系統(tǒng)不僅讓醫(yī)務(wù)人員關(guān)注嬰兒培養(yǎng)箱的運(yùn)行情況不受物理環(huán)境的影響，還進(jìn)一步監(jiān)測(cè)嬰兒培養(yǎng)箱的溫度，可以降低臨床醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。整個(gè)系統(tǒng)低功耗、使用方便、穩(wěn)定性高、便于攜帶，便于嬰兒培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)檢測(cè)[15]。

本系統(tǒng)采用串口的方式將監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)通過采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，由于每臺(tái)嬰兒培養(yǎng)箱需要連接串口線，導(dǎo)致房間的布線增多。因此，下一步可以采用無線的方式傳輸溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到移動(dòng)手機(jī)上，并設(shè)計(jì)開發(fā)溫度監(jiān)測(cè)APP軟件，讓嬰兒培養(yǎng)箱的溫度監(jiān)測(cè)更加真實(shí)有效[16]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 沈云明,鄭焜,陳龍,等.基于ZigBee的嬰兒培養(yǎng)箱溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2013,32(2):248-252.

[2] 鮑俊成.嬰兒培養(yǎng)箱中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[A].湖北省醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)2011年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].2011:39-44.

[3] 成剛.淺談嬰兒培養(yǎng)箱的預(yù)防性維護(hù)[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程分會(huì)第十二次學(xué)術(shù)年會(huì)暨2011中華臨床工程及醫(yī)療信息化大會(huì)論文集[C].2011:1-4.

[4] 王秀芳.嬰兒培養(yǎng)箱控制面板的設(shè)計(jì)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2011,30(5):529-532.

[5] 湯陌生.國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口嬰兒培養(yǎng)箱的性能比較及分析[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)第十五次全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2015:390.

[6] 王侃.電子內(nèi)窺鏡基本原理及故障防范[J].醫(yī)療裝備,2016,29(11):54-55.

[7] 姚新琴.嬰兒培養(yǎng)箱進(jìn)行無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)第十五次全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2015:357.

[8] 吳蘊(yùn)蘊(yùn).嬰兒培養(yǎng)箱的電氣安全風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)第十五次全國(guó)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2015:346.

[9] 夏青.嬰兒培養(yǎng)箱故障維修與維護(hù)[J].醫(yī)療裝備,2016,29(17):42.[10] 王加成.淺談嬰兒培養(yǎng)箱使用中的注意事項(xiàng)[J].醫(yī)學(xué)信息,2016,29(11):200-201.

[11] 賀佳彥.嬰兒培養(yǎng)箱的原理及其質(zhì)量控制分析[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程分會(huì)第十二次學(xué)術(shù)年會(huì)暨2011中華臨床工程及醫(yī)療信息化大會(huì)論文集[C].2011:1-3.

[12] 張霞,黃偉杰,陳偉健.嬰兒培養(yǎng)箱的常見故障及日常管理維護(hù)[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2017,23(7):86-87.

[13] 陳龍.基于微處理器的嬰兒培養(yǎng)箱溫度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)[A].中華醫(yī)學(xué)會(huì)醫(yī)學(xué)工程學(xué)分會(huì)第十一次學(xué)術(shù)年會(huì)暨2010中華臨床醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)療信息化大會(huì)論文集[C].2010:1-4.

[14] 吳國(guó)光,張向.面向嬰兒培養(yǎng)箱的異周期數(shù)據(jù)傳輸方法研究[J].中國(guó)測(cè)試,2017,43(4):74-77.

[15] 徐智勇,肖樂.嬰兒培養(yǎng)箱的質(zhì)控與應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息,2017,23(6):118-119.

[16] 趙鵬,孫建軍,吳太虎.基于Zigbee技術(shù)的冷鏈無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2008,32(6):424-427.