一種電能測(cè)量裝置設(shè)計(jì)及其在醫(yī)療設(shè)備效益分析中的應(yīng)用

王 威，李 濤，徐富強(qiáng)，何 宇，鄭小溪

（中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，武漢430070）

0 引言

目前，各醫(yī)院為了節(jié)約成本，提高設(shè)備的使用效益，越來(lái)越重視用于指導(dǎo)設(shè)備采購(gòu)、使用、維修、報(bào)廢等全流程的設(shè)備效益分析工作[1-3]。人工統(tǒng)計(jì)設(shè)備的使用時(shí)間需要占用大量的人力且容易出現(xiàn)較大的統(tǒng)計(jì)誤差，難以真正地反映設(shè)備的實(shí)際使用情況。電能監(jiān)控與分析技術(shù)已普遍應(yīng)用于智能家居、計(jì)量插座、電動(dòng)車(chē)充電樁等領(lǐng)域[4-7]，也有一些機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-9]。但市面上現(xiàn)有的電能監(jiān)控裝置無(wú)法針對(duì)不同種類(lèi)的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行定制化修改，也尚未同設(shè)備效益分析有效結(jié)合。因此，本文設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單實(shí)用的電能測(cè)量裝置，通過(guò)分析醫(yī)療設(shè)備使用過(guò)程中消耗的電能信息，自動(dòng)判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，并對(duì)工作時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，以較好地進(jìn)行設(shè)備效益分析工作。

1 需求分析

部分醫(yī)療設(shè)備采用220 V 交流市電供電，本文主要針對(duì)這類(lèi)醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)電能測(cè)量裝置。為避免對(duì)醫(yī)療設(shè)備主體進(jìn)行大的改動(dòng)且方便使用，考慮從設(shè)備現(xiàn)有的電源線上入手進(jìn)行改造，以降低開(kāi)發(fā)難度，節(jié)約成本。綜合分析需要實(shí)現(xiàn)的功能以及工作條件，本裝置需由以下幾個(gè)主要部分組成：（1）電能監(jiān)測(cè)模塊，作為本裝置的核心部件，用于對(duì)設(shè)備電源線上流經(jīng)的電能信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）直流電源模塊，用于將電源線上的市電轉(zhuǎn)換為測(cè)量裝置本身需要的直流工作電源；（3）顯示模塊，用于標(biāo)識(shí)監(jiān)測(cè)到的設(shè)備工作狀態(tài)信息；（4）藍(lán)牙模塊，用于將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)（手機(jī)）上方便查看、存儲(chǔ)，從而安全地獲取設(shè)備工作狀態(tài)信息，避免電擊等情況發(fā)生。

2 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，并結(jié)合工作實(shí)際和開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)條件，本文以Arduino 平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行電能測(cè)量裝置原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。本裝置由直流電源模塊、電能監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊和藍(lán)牙模塊組成。整套裝置使用5 V 直流供電，通過(guò)直流電源模塊將220 V 交流市電轉(zhuǎn)換為5 V 直流供電；選用高精度的單相電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)電能監(jiān)測(cè)模塊，測(cè)量線電壓和電流，并計(jì)算有功功率；選擇0.96 in（1 in=25.4 mm）液晶屏作為顯示模塊并附加LED 燈，顯示Arduino主機(jī)獲取的電能計(jì)量芯片的測(cè)量結(jié)果和設(shè)備使用狀態(tài)；選用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至配對(duì)的手機(jī)上進(jìn)行顯示。本裝置的整體框圖如圖1（a）所示。此外，對(duì)現(xiàn)有電源線進(jìn)行改造，將電能測(cè)量裝置串接入電源線中，如圖1（b）所示。

圖1 電能測(cè)量裝置示意圖

Arduino 平臺(tái)開(kāi)發(fā)方便、簡(jiǎn)單可靠，且市面上有大量兼容的外設(shè)模塊可供選擇，可調(diào)用現(xiàn)成的類(lèi)庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，目前已廣泛應(yīng)用于智慧家居及醫(yī)療等方面[10-13]。為保證設(shè)計(jì)改造后的電能測(cè)量裝置外觀小巧，實(shí)際選用Arduino Nano 作為主機(jī)，該主機(jī)電路板面積僅為18 mm×45 mm；使用ATmega328 作為微控制器，其有22 個(gè)輸入/輸出端口，32 KiB 的Flash、2 KiB 的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（static random-access memory，SRAM）、1 KiB 的帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM），并具有串口、集成電路總線（inter-integrated circuit，I2C）和串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）等。

2.1 直流電源模塊

采用LP3773A 電源控制芯片為核心設(shè)計(jì)直流電源模塊，該模塊將220 V 交流市電轉(zhuǎn)換為5 V 直流電壓，最大可提供700 mA 的電流，為后續(xù)相關(guān)功能模塊的擴(kuò)展提供支持。直流電源模塊電路原理圖如圖2 所示。

圖2 直流電源模塊電路原理圖

2.2 電能監(jiān)測(cè)模塊

電能監(jiān)測(cè)模塊以電能計(jì)量芯片為核心設(shè)計(jì)。電能計(jì)量芯片選用合力為科技有限公司的HLW8032芯片[14]，該芯片能夠測(cè)量單相線電壓和電流，并計(jì)算有功功率，有功功率的測(cè)量誤差僅為0.2%。其內(nèi)置電壓參考源，并具有通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）串口通信，方便與主控芯片進(jìn)行通信，具有精度高、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。HLW8032 芯片內(nèi)部共有11 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，通過(guò)讀取寄存器的值并按照公式（1）～（3）計(jì)算電壓、電流有效值和有功功率：

電能監(jiān)測(cè)模塊電路原理圖如圖3 所示。該模塊的電壓系數(shù)為1.88，電流系數(shù)為0.25。

圖3 電能監(jiān)測(cè)模塊電路原理圖

2.3 顯示模塊

該模塊以SSD1306 作為驅(qū)動(dòng)芯片，選用0.96 in液晶屏，可將檢測(cè)結(jié)果直觀地顯示出來(lái)。液晶屏分辨力為128×64 像素，正常顯示時(shí)的功耗僅為40 mW，尺寸僅為28.7 mm×27.8 mm，通過(guò)I2C 接口與主機(jī)進(jìn)行通信。

2.4 藍(lán)牙模塊

為安全地獲取設(shè)備工作狀態(tài)信息、避免電擊等，本裝置配備了可進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)腍C-06 藍(lán)牙模塊。該模塊工作在2.4 GHz 頻段，尺寸為37.0 mm×15.6 mm，通信電流40 mA，參考通信距離10 m，支持AT 指令，可根據(jù)需要更改主從模式以及串口波特率、設(shè)備名稱等參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

軟件功能主要包括電能參數(shù)測(cè)量、液晶顯示、藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送等，程序流程圖如圖4 所示。以監(jiān)護(hù)儀為例，利用標(biāo)準(zhǔn)的功率計(jì)測(cè)量6 臺(tái)監(jiān)護(hù)儀（PM9000、M69、Dash2500 型各2 臺(tái)）的功率，6 臺(tái)監(jiān)護(hù)儀的待機(jī)功率均在13 W 以下，工作功率均在17 W 以上，因此將判斷監(jiān)護(hù)儀是否處于工作狀態(tài)的功率閾值暫定為15 W，該閾值后期可根據(jù)具體測(cè)量的醫(yī)療設(shè)備的不同進(jìn)行更改。

圖4 電能測(cè)量裝置功能實(shí)現(xiàn)程序流程圖

3.1 電能參數(shù)測(cè)量

查閱HLW8032 電能芯片參考手冊(cè)，該芯片有11 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，共24 B，數(shù)據(jù)通過(guò)串口TX 引腳以4 800 的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，其中，電壓、電流、功率參數(shù)寄存器均為3 B 的數(shù)據(jù)寄存器，每個(gè)數(shù)據(jù)按照從高位到低位的順序傳輸。利用串口通信讀出電能芯片數(shù)據(jù)寄存器的值，并按照公式（1）～（3）計(jì)算出電壓、電流和功率值，關(guān)鍵代碼如下：

SoftwareSerial myElecSerial(10，11);

float Vk=1.88;

static uint8_t tempBuf[24];

myElecSerial.begin(4800);

tempBuf[index++]=myElecSerial.read();

VParam=(uint32_t)tempBuf[2]＜＜16|(uint32_t)temp-Buf[3]＜＜8|(uint32_t)tempBuf[4];

VReg=(uint32_t)tempBuf[5]＜＜16|(uint32_t)temp-Buf[6]＜＜8|(uint32_t)tempBuf[7];

V=(float)VParam/(float)VReg*Vk;

3.2 液晶顯示

顯示模塊主要用于顯示檢測(cè)到的電能信息以及設(shè)備工作狀態(tài)，關(guān)鍵代碼如下：

U8GLIB_SSD1306_128X64u8g(U8G_I2C_OPT_N ONE);

u8g_prepare();

u8g.setPrintPos(0，10);//設(shè)置顯示位置

u8g.print(V，2);//顯示數(shù)值

3.3 藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信

藍(lán)牙模塊主要用于和手機(jī)無(wú)線連接，從而方便、安全地傳輸電能信息以及設(shè)備工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)該電能測(cè)量裝置相關(guān)功能的設(shè)置，關(guān)鍵代碼如下：

SoftwareSerial myBTSerial(8，9); //設(shè) 置 藍(lán) 牙 串 口接口

myBTSerial.begin(9600); //設(shè)置藍(lán)牙串口通信波特率

val = myBTSerial.read(); //得到手機(jī)發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)

if('U'==val)

HLW8032_DecodProtocol(myElecSerial.read());//獲取并解析電能測(cè)量芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)

3.4 手機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

基于Android Studio 平臺(tái)開(kāi)發(fā)上位機(jī)（手機(jī)）的軟件，主要用于接收采集結(jié)果并顯示，同時(shí)發(fā)送控制指令給電能測(cè)量裝置主機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制。

手機(jī)接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼如下：

m_btDevice=bluetoothAdapter.getRemoteDevice(m_remoteDevMac);

m_socket=m_btDevice.createRfcommSocketToServiceRecord(UUID.fromString(MY_UUID));

m_socket.connect();//連接藍(lán)牙

m_is=m_socket.getInputStream();//獲取藍(lán)牙收到的數(shù)據(jù)

num=m_is.read(buffer);//獲取本次讀取長(zhǎng)度

content=new String(buffer，0，num);

手機(jī)發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼如下：

String msgSend="U";

outputStreamos=m_socket.getOutputStream();

os.write(msgSend.getBytes());

4 性能驗(yàn)證與應(yīng)用

按照設(shè)計(jì)的電路原理圖搭建好硬件電路，并對(duì)現(xiàn)有的普通電源線進(jìn)行改造；在Arduino 平臺(tái)上編寫(xiě)并運(yùn)行代碼，最終設(shè)計(jì)完成的電能測(cè)量裝置（不含電源線）的整體尺寸為60 mm×55 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬×高），質(zhì)量約200 g，自身功耗約0.8 W。與市面上的功率計(jì)比較，本裝置的最大測(cè)量功率為2 kW，誤差在4%以內(nèi)。利用本裝置對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，只需要將電源線一頭接市電，另一頭接醫(yī)療設(shè)備，裝置上的液晶屏上就會(huì)顯示出當(dāng)前電源線上通過(guò)的電壓、電流、功率等電能信息。將功率和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，即可判斷醫(yī)療設(shè)備是處于工作狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備的工作時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，從而得出一段時(shí)間內(nèi)設(shè)備總的工作時(shí)間，可根據(jù)設(shè)備工作時(shí)間進(jìn)行設(shè)備使用率分析，如圖5、6 所示；還可以利用手機(jī)藍(lán)牙功能連接本裝置，并在手機(jī)上查看電能監(jiān)測(cè)情況，如圖7 所示。本裝置可封裝串接于設(shè)備自帶電源線中，隨設(shè)備使用，避免了對(duì)醫(yī)療設(shè)備本身進(jìn)行大的改動(dòng)，節(jié)約了成本。

圖5 電能測(cè)量裝置使用圖

圖7 手機(jī)查看電能監(jiān)測(cè)情況界面

5 結(jié)語(yǔ)

圖6 液晶屏顯示效果

本文設(shè)計(jì)的電能測(cè)量裝置能記錄醫(yī)療設(shè)備的使用電壓、電流、功率等電能信息，可根據(jù)設(shè)備在工作狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)下消耗電能的不同分析判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，并對(duì)設(shè)備的工作時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，不僅節(jié)約了人工進(jìn)行設(shè)備效益分析的時(shí)間，還提高了設(shè)備效益分析的準(zhǔn)確性，為設(shè)備效益分析提供了新的技術(shù)手段。本裝置可針對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備型號(hào)的不同，更改判斷設(shè)備是否處于工作狀態(tài)的功率閾值。除了能在液晶屏和LED 燈上直觀地顯示出設(shè)備的工作狀態(tài)，還能將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸至手機(jī)以便進(jìn)行進(jìn)一步分析。本裝置開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低且不易遺失，考慮到目前的實(shí)驗(yàn)條件，其對(duì)被監(jiān)測(cè)醫(yī)療設(shè)備的電磁影響還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。后續(xù)，將進(jìn)一步對(duì)本裝置進(jìn)行集成化和小型化設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)量的電能參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，提高電能信息測(cè)量的準(zhǔn)確性；增加按鍵控制、液晶屏二維碼顯示等，以豐富本裝置的功能，提高信息的顯示效果；增加無(wú)線局域網(wǎng)模塊[15]，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；研究本裝置對(duì)醫(yī)療設(shè)備的電磁影響，提高電磁兼容性。