一種手術(shù)方艙分區(qū)采集控制溫濕度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

手術(shù)方艙具有快速機(jī)動(dòng)性、功能多樣性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)作戰(zhàn)、應(yīng)急救援、衛(wèi)勤保障、安全消防等方面。手術(shù)方艙特種車可以快速抵達(dá)傷病員位置，及時(shí)開(kāi)展普外科、泌尿外科、肝膽胰外科、骨科、胸外科胸腔引流等早期緊急手術(shù)治療，為黃金救援期內(nèi)展開(kāi)救護(hù)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

手術(shù)方艙內(nèi)的手術(shù)環(huán)境溫濕度對(duì)手術(shù)的成功率具有至關(guān)重要的作用，手術(shù)室溫濕度必須控制在一定范圍內(nèi) ：溫度在22 ～ 25 ℃ ；相對(duì)濕度為 45% ～ 60%RH。因?yàn)闅夂?、晝夜?/span>季節(jié)、地點(diǎn)的不同，手術(shù)方艙的環(huán)境溫濕度具有較大差異，手術(shù)方艙內(nèi)的溫濕度控制必須具有更好的實(shí)時(shí)性和控制性。

本文采用 Microchip 16 bit 單片機(jī) PIC24FJ64GA002，基于無(wú)線 RS 485 總線設(shè)計(jì)了一款用于手術(shù)方艙的溫濕度控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是穩(wěn)定可靠、通信實(shí)時(shí)、操作簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)構(gòu)建

車載設(shè)備必須具備良好的抗干擾能力才能確保設(shè)備的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用 485 數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證通信穩(wěn)定可靠傳輸。手術(shù)方艙的溫濕度控制要求重點(diǎn)區(qū)域突出管理、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高、控制反應(yīng)靈敏，以確保手術(shù)方艙的溫濕度維持在合理范圍。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了溫濕度的高精度采集與實(shí)時(shí)控制，將方艙劃分為4個(gè)區(qū)域，分別為1#藥品儲(chǔ)存區(qū)、2#檢查區(qū)、3# 手術(shù)區(qū)、4# 辦公區(qū)，實(shí)行區(qū)域獨(dú)立采集，綜合控制。

本系統(tǒng)主要由主控單元、溫濕度采集單元、觸摸液晶顯示器組成 ；主控單元主要實(shí)現(xiàn)溫濕度參數(shù)設(shè)置、溫濕度數(shù)據(jù)分析處理 ；顯示屏負(fù)責(zé)觸摸按鍵、界面顯示、報(bào)警提示 ；溫濕度采集單元由溫度傳感器、濕度傳感器及通信單元組成，實(shí)現(xiàn)溫濕度采集和數(shù)據(jù)上傳。

主控單元主要負(fù)責(zé)通過(guò)無(wú)線 RS 485 總線實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行區(qū)域溫濕度分析，利用 RS 232 串行接口向液晶屏發(fā)送溫濕度信息 ；主控單元在超溫或超濕情況下向液晶屏發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并向車載溫濕度控制設(shè)備發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)溫濕度控制 ；此外，主控單元還可實(shí)時(shí)接收觸摸顯示屏的按鍵信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。液晶顯示屏負(fù)責(zé)顯示區(qū)域溫濕度、報(bào)警指示和參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面。溫濕度采集單元主要實(shí)現(xiàn)區(qū)域溫濕度的采集，并通過(guò)無(wú)線 RS 485 總線將數(shù)上傳到主控單元，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)采用 SA-HT1 壁掛式溫濕度變送器實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集。系統(tǒng)采用瑞士 SENSIRION 溫濕度傳感器，該傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、全量程溫度補(bǔ)償、傳感器工作溫度范圍寬（-40 ～ 100 ℃）等優(yōu)點(diǎn)。濕度量程為 0 ～ 100%RH，具有低漂移、響應(yīng)速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、寬電壓供電、非線性修正、精度高、接線反向和過(guò)壓保護(hù)、限流保護(hù)適用現(xiàn)場(chǎng)、擁有 RS 485 通信接口等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 主控電路

本系統(tǒng)將 Microchip 16 位單片機(jī) PIC24FJ64GA002 作為主芯片，其具有改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，最高運(yùn)行速度達(dá) 16 MIPS，具有 17×17 位單周期硬件乘法器，32 位 /16 位硬件除法器 ；具有豐富的外設(shè)端口，如 8 位并口，SPI，UART，外部中斷，PWM 輸出等。該系統(tǒng)中，利用主芯片的 2 個(gè)串口分別與顯示屏、溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)溫濕度顯示、報(bào)警和溫濕度數(shù)據(jù)采集功能 ；將 8 個(gè) I/O 管腳作為溫濕度控制設(shè)備的控制信號(hào)，分別控制 4 個(gè)區(qū)域的溫濕度，電路如圖 2所示。

2.3 主控板供電電路

系統(tǒng)采用 12 V 外部供電，經(jīng) AMS1117-3.3 直流電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸出 3.3 V 電壓為主控板核心電路、串口電路供電，電路如圖 3 所示。

2.4 無(wú)線 RS 485 通信電路

HD-M805 是高速率低功耗高性能無(wú)線模塊（以下統(tǒng)稱模塊），模塊設(shè)計(jì)采用高效 ISM 頻段射頻 LoRa 擴(kuò)頻芯片，提供了多個(gè)頻道可選擇。模塊可在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率等參數(shù)。HD-M805 模塊能夠透明傳輸數(shù)據(jù)，且模塊體積小，支持寬電壓運(yùn)行 ；傳輸距離遠(yuǎn)，可提供豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。無(wú)線 RS 485 通信模塊如圖 4 所示。

2.5 觸摸液晶顯示器

DC80480F050_1011_0T 是一款 5.0 寸分辨率為 800×480的 F 系列電阻觸摸組態(tài)串口屏，工作電壓為 5 ～ 15 V，具有串口 TTL232 通信接口，采用 32 位處理器，支持 JPEG 圖片壓縮、MP3 音頻，存儲(chǔ)容量為 64 Mbit，支持 JPEG，PNG（半 透 / 全透）壓縮，支持任意大小圖片存儲(chǔ)，擁有按鈕、文本、下拉菜單、進(jìn)度條、滑塊、儀表、動(dòng)畫(huà)、二維碼、曲線、數(shù)據(jù)記錄、圓形進(jìn)度條等組態(tài)控件，遵循工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（ESD 接 觸 4 kV、空氣 8 kV、醫(yī)療 EMI 輻射 CLASS B 等級(jí)）。觸摸液晶顯示器如圖 5 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，通過(guò)串口分別向顯示屏、溫濕度傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的數(shù)據(jù)判斷各部件工作是否正常。若自檢未通過(guò)，則向顯示屏發(fā)送自檢錯(cuò)誤信息，顯示屏顯示相應(yīng)的提示信息 ；若通過(guò)自檢，則對(duì) 4 個(gè)區(qū)域的溫濕度進(jìn)行巡檢，并判斷溫濕度是否正常，如果超過(guò)閾值，則向溫濕度設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的電平控制信號(hào)，并向顯示屏發(fā)送報(bào)警指令，顯示屏發(fā)出提示音，顯示預(yù)置畫(huà)面。軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收觸摸屏的觸摸按鍵信號(hào)，完成溫濕度閾值參數(shù)的設(shè)置。軟件流程如圖 6 所示。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)護(hù)，采用溫濕度區(qū)域化管理方案對(duì) 4 個(gè)區(qū)域的溫濕度進(jìn)行閾值設(shè)置，初始默認(rèn)設(shè)置見(jiàn)表 1 所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)方艙內(nèi)的溫濕度進(jìn)行分區(qū)采集與控制，確保溫濕度滿足手術(shù)的環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)區(qū)域溫度的精準(zhǔn)控制，提高了患者的舒適度，方便醫(yī)生更好發(fā)揮技術(shù)水平，減少細(xì)菌滋長(zhǎng)，降低手術(shù)并發(fā)癥，大大提高手術(shù)的成功率。