基于WiFi傳輸?shù)暮粑鼨C(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

符策高

(海南醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院， 海南 ?？?570311)

0 引言

在危重癥患者治療過(guò)程中，呼吸機(jī)具有重要作用。但當(dāng)前大部分呼吸機(jī)都是床邊工作，靠護(hù)士每隔一段時(shí)間手工記錄，信息化程度較低，無(wú)法通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測(cè)結(jié)果和重要參數(shù)。本文利用WIFI傳輸對(duì)呼吸機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集[1]，并實(shí)現(xiàn)呼吸機(jī)管道內(nèi)積液的自動(dòng)檢測(cè)。能夠降低護(hù)士的工作強(qiáng)度，避免重要數(shù)據(jù)的丟失，強(qiáng)化了呼吸機(jī)的保障效果。

1 總體設(shè)計(jì)

(1) 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計(jì)的呼吸機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即上位機(jī)模塊和數(shù)據(jù)采集傳輸硬件模塊，如圖1所示。

圖1 呼吸機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體框架

WIFI射頻模塊作為數(shù)據(jù)采集傳輸模塊的重要單元是該系統(tǒng)的服務(wù)端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信與作為上位機(jī)的客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸?；颊吆粑牟ㄐ螖?shù)據(jù)和呼吸機(jī)參數(shù)被采集后，通過(guò)RS232串口輸入數(shù)據(jù)采集模塊中，封裝后通過(guò)WIFI傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)首先對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行解析，然后分析硬件模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化圖形。

(2) 管道內(nèi)積液自動(dòng)檢測(cè)算法

呼吸機(jī)的呼吸周期數(shù)據(jù)是該算法的重要判斷依據(jù)。吸氣和呼氣管道是呼吸機(jī)機(jī)械通氣的主要管道，在使用過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)呼吸相積液?jiǎn)栴}?；颊吆魵夂臀鼩獠ㄐ螖?shù)據(jù)通常會(huì)存在一定的差異[2]，如果不考慮差異的情況下，設(shè)計(jì)積液自動(dòng)檢測(cè)算法容易產(chǎn)生誤判。因此，本文將呼氣相和吸氣相分開(kāi)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)積液自動(dòng)檢測(cè)算法流程

算法步驟如下。

步驟一：利用一階微分法分析呼吸周期起點(diǎn)；

步驟二：按照氣流時(shí)間和流速波形圖，按照零點(diǎn)分配來(lái)劃分呼氣相和吸氣相；

步驟三：利用小波分解法分析氣流時(shí)間和壓力的波形數(shù)據(jù)；

步驟四：小波分解后的信號(hào)提取其分量，并按照細(xì)節(jié)進(jìn)行小波重構(gòu)；

步驟五：對(duì)重構(gòu)后的信號(hào)閾值進(jìn)行選擇，并將閾值判斷作為管道積液的評(píng)判依據(jù)，判斷是否存在積液。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件單元結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1) WIFI傳輸模塊

WIFI傳輸模塊是該系統(tǒng)的核心硬件，由E103-W02射頻模塊和功能底板組成。E103-W02芯片是射頻模塊的核心，能夠?yàn)閃IFI傳輸提供良好的解決方案。該芯片片內(nèi)集成度很高，只需要功能底板的供電和串口轉(zhuǎn)換便能完成WIFI傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)[3]。

(2) 微控制器

微控制器與各個(gè)硬件模塊的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制是該系統(tǒng)硬件單元得以正常工作的保障。本系統(tǒng)采用STM32作為微控制器，其電路主要包括附屬模塊外圍電路和微控制器電路，如調(diào)試電路、復(fù)位電路和主電路。其中，復(fù)位電路采用RC復(fù)位方式，只通過(guò)簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)便能完成運(yùn)行中復(fù)位和上電復(fù)位功能。調(diào)試電路采用標(biāo)準(zhǔn)的10針頭JTAG接口，高速數(shù)據(jù)傳輸情況下，將STM32的SWD模式引腳與JTAG接口連接，便可完成程序的調(diào)試和下載。

(3) 供電方式

本系統(tǒng)硬件采用5V USB供電模式，為了符合E103-W02芯片的3.3V供電需求，增加AMS 3.3芯片作為穩(wěn)壓和電壓轉(zhuǎn)換芯片，并配備1個(gè)0.1μF陶瓷電容、1個(gè)10μF鉭電容和三個(gè)1μF陶瓷電容。轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

圖4 5 V→3.3 V轉(zhuǎn)換電路

(4) 通訊設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)與呼吸機(jī)的RS232接口連接完成通信。E103-W02射頻模塊為T(mén)TL電平，呼吸機(jī)為RS232串口電平，為使硬件與呼吸機(jī)完成通信，本設(shè)計(jì)引入了SP3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，以達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康摹?/p>

(5) WIFI數(shù)據(jù)傳輸流程

WIFI數(shù)據(jù)傳輸流程，如圖5所示。

為WIFI數(shù)據(jù)傳輸流程。首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化設(shè)置，WIFI服務(wù)端通過(guò)監(jiān)聽(tīng)方式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起連接。上位機(jī)作為客戶端完成注冊(cè)請(qǐng)求后與WIFI服務(wù)端建立連接。當(dāng)WIFI服務(wù)端采集到數(shù)據(jù)后進(jìn)行封裝打包，并發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器。

圖5 WIFI數(shù)據(jù)傳輸流程

3 軟件設(shè)計(jì)

(1) 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)作為上位機(jī)的主要系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)WIFI傳輸數(shù)據(jù)的處理和分析以達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)管道內(nèi)積液的目的。軟件架構(gòu)，如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件架構(gòu)

上位機(jī)的WIFI模塊首先進(jìn)行初始化，并將外部請(qǐng)求設(shè)備與初始化呼吸機(jī)的通信，并實(shí)施獲得呼吸機(jī)的數(shù)據(jù)。接收到的呼吸機(jī)數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行通信協(xié)議解析，然后一部分是用于直觀的參數(shù)展示，另一部分用于波形分析，以判斷管道積液情況[4]。

(2) 通信協(xié)議解析

呼吸機(jī)通信協(xié)議解析式軟件部分的重點(diǎn)，本設(shè)計(jì)以PB840型呼吸機(jī)為例，該款呼吸機(jī)通信協(xié)議MEDIBUS通過(guò)RS232與外部設(shè)備建立連接，使用過(guò)程中只需要初始化通信即可完成實(shí)施傳輸。MEDIBUS指令是呼吸機(jī)通信協(xié)議的指令格式，外部設(shè)備通過(guò)向呼吸機(jī)發(fā)送SDNF請(qǐng)求指令即可獲得波形數(shù)據(jù)、患者參數(shù)以及設(shè)置數(shù)據(jù)，完成對(duì)患者呼吸情況的監(jiān)控[5]。

上位機(jī)的通信協(xié)議解析流程，如圖7所示。

軟件系統(tǒng)需要對(duì)呼吸機(jī)通信協(xié)議進(jìn)行解析，并獲得波形數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩種獨(dú)立封裝的數(shù)據(jù)。系數(shù)首先會(huì)判斷數(shù)據(jù)類型及其合法性，根據(jù)類型進(jìn)行專有解析。獲得的波形數(shù)據(jù)通過(guò)波形分析程序判斷管道內(nèi)積液情況，獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于監(jiān)測(cè)患者參數(shù)[6]。

4 總結(jié)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的呼吸機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)RS232串口與WIFI模塊進(jìn)行連接，通過(guò)MEDIBUS通信協(xié)議解析完成對(duì)呼吸機(jī)參數(shù)和波形數(shù)據(jù)的采集。對(duì)數(shù)據(jù)波形進(jìn)行小波分解、提取和重構(gòu)后，自動(dòng)判斷管道內(nèi)積液情況，同時(shí)還能夠?qū)嵤┍O(jiān)測(cè)呼吸機(jī)運(yùn)行情況及患者參數(shù)。極大程度降低了護(hù)士的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)呼吸機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。