一種手術方艙分區(qū)采集控制溫濕度的系統(tǒng)設計

0 引 言

手術方艙具有快速機動性、功能多樣性等特點，被廣泛應用于軍隊作戰(zhàn)、應急救援、衛(wèi)勤保障、安全消防等方面。手術方艙特種車可以快速抵達傷病員位置，及時開展普外科、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治療，為黃金救援期內展開救護爭取寶貴時間。

手術方艙內的手術環(huán)境溫濕度對手術的成功率具有至關重要的作用，手術室溫濕度必須控制在一定范圍內 ：溫度在22 ～ 25 ℃ ；相對濕度為 45% ～ 60%RH。因為氣候、晝夜、季節(jié)、地點的不同，手術方艙的環(huán)境溫濕度具有較大差異，手術方艙內的溫濕度控制必須具有更好的實時性和控制性。

本文采用 Microchip 16 bit 單片機 PIC24FJ64GA002，基于無線 RS 485 總線設計了一款用于手術方艙的溫濕度控制系統(tǒng)，其主要特點是穩(wěn)定可靠、通信實時、操作簡單。

1 系統(tǒng)構建

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

本系統(tǒng)設計時充分考慮了溫濕度的高精度采集與實時控制，將方艙劃分為4個區(qū)域，分別為1#藥品儲存區(qū)、2#檢查區(qū)、3# 手術區(qū)、4# 辦公區(qū)，實行區(qū)域獨立采集，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 ；主控單元主要實現(xiàn)溫濕度參數(shù)設置、溫濕度數(shù)據(jù)分析處理 ；顯示屏負責觸摸按鍵、界面顯示、報警提示 ；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，實現(xiàn)溫濕度采集和數(shù)據(jù)上傳。

主控單元主要負責通過無線 RS 485 總線實時采集溫濕度數(shù)據(jù)，并進行區(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)出報警信號，并向車載溫濕度控制設備發(fā)出控制指令，實現(xiàn)溫濕度控制 ；此外，主控單元還可實時接收觸摸顯示屏的按鍵信號，實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設置。液晶顯示屏負責顯示區(qū)域溫濕度、報警指示和參數(shù)設置人機界面。溫濕度采集單元主要實現(xiàn)區(qū)域溫濕度的采集，并通過無線 RS 485 總線將數(shù)上傳到主控單元，結構如圖 1 所示。

2 硬件設計

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，該傳感器具有長期穩(wěn)定性好、全量程溫度補償、傳感器工作溫度范圍寬（-40 ～ 100 ℃）等優(yōu)點。濕度量程為 0 ～ 100%RH，具有低漂移、響應速度快、安裝方便、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、寬電壓供電、非線性修正、精度高、接線反向和過壓保護、限流保護適用現(xiàn)場、擁有 RS 485 通信接口等優(yōu)點。

2.2 主控電路

本系統(tǒng)將 Microchip 16 位單片機 PIC24FJ64GA002 作為主芯片，其具有改進的哈佛架構，最高運行速度達 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 個串口分別與顯示屏、溫濕度進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)溫濕度顯示、報警和溫濕度數(shù)據(jù)采集功能 ；將 8 個 I/O 管腳作為溫濕度控制設備的控制信號，分別控制 4 個區(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 無線 RS 485 通信電路

HD-M805 是高速率低功耗高性能無線模塊（以下統(tǒng)稱模塊），模塊設計采用高效 ISM 頻段射頻 LoRa 擴頻芯片，提供了多個頻道可選擇。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，支持寬電壓運行 ；傳輸距離遠，可提供豐富便捷的軟件編程設置功能，應用領域廣泛。無線 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，擁有按鈕、文本、下拉菜單、進度條、滑塊、儀表、動畫、二維碼、曲線、數(shù)據(jù)記錄、圓形進度條等組態(tài)控件，遵循工業(yè)級標準（ESD 接 觸 4 kV、空氣 8 kV、醫(yī)療 EMI 輻射 CLASS B 等級）。觸摸液晶顯示器如圖 5 所示。

3 軟件設計

當系統(tǒng)上電時，首先進行系統(tǒng)自檢，通過串口分別向顯示屏、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，則向顯示屏發(fā)送自檢錯誤信息，顯示屏顯示相應的提示信息 ；若通過自檢，則對 4 個區(qū)域的溫濕度進行巡檢，并判斷溫濕度是否正常，如果超過閾值，則向溫濕度設備發(fā)送相應的電平控制信號，并向顯示屏發(fā)送報警指令，顯示屏發(fā)出提示音，顯示預置畫面。軟件系統(tǒng)實時接收觸摸屏的觸摸按鍵信號，完成溫濕度閾值參數(shù)的設置。軟件流程如圖 6 所示。

為實現(xiàn)對重點區(qū)域進行重點監(jiān)護，采用溫濕度區(qū)域化管理方案對 4 個區(qū)域的溫濕度進行閾值設置，初始默認設置見表 1 所列。

4 結 語

本系統(tǒng)通過對方艙內的溫濕度進行分區(qū)采集與控制，確保溫濕度滿足手術的環(huán)境要求，實現(xiàn)了重點區(qū)域溫度的精準控制，提高了患者的舒適度，方便醫(yī)生更好發(fā)揮技術水平，減少細菌滋長，降低手術并發(fā)癥，大大提高手術的成功率。