医用制氧机群智能控制系统设计与实现

文/周正 左光群

对于医用制氧机来说，其是物理制氧设备中较新的一种，不用其它的添加成分，仅与电源相连接，就能够制造氧气。现阶段，对于医用制氧机来说，基本都是以单机工作模式为主的，尽管自动化水平要高一些，然而其未对信息的远传功能进行检测，护士站等是缺失的，使得监控制氧机工作是缺失的。

本文以无线网络为依托，对医用制氧机群智能化的实现进一步的深入探讨，利用中央控制室来使其无线控制作用得以全面实现，使参数远传功能得以实现，例如氧气流量等，从而能够有效的管控一定范围内的制氧机，这样用户使用氧气的安全性会提升，使用更加便利，从而使其取代氧气瓶的目标得以实现。

1 总体架构

基于无线网络的医用制氧机群是由无线网关和无线传感器节点构成一个微型数据监控网络，实时对医用制氧机群运行状态数据进行智能控制。将中央控制器有效的应用，从而可以控制、监控制氧机，同时将信息进行收集，利用无线通信，把数据向基站设备进行传输，同时自这一基站开始，把数据向其它设备进行传送，利用网络把数据向远程控制中心进行传送，在控制中心的计算机中对其实施统计分析，使远程控制功能得以实现。由于传感器的节点和灵活性。结合设备工作情况，对其实施自主设置，所以，这一系统的可扩展性十分突出。系统总体框架具体如图1。

1.1 智能控制功能的实现

智能控制中心PC电脑有数据监控功能、参数配置功能、实时数据库等多个功能模块。利用无线网络，使控制中心和医用制氧化有机结合，利用接收模块将制氧机的信息进行有效的接收，对其实施全面的分析，同时结合信息类型的不同，对其进行不同的处理，将控制指令向制氧化进行传输，完成对医用制氧机相应的远程操作，实现了医用制氧机的全方位数据采集和监控。

1.2 远程控制功能的实现

在控制中心的计算机中对数据进行收集、存储。护士等相关人员能够对服务器管理的制氧机的不同数据进行浏览，能够对无线网络中的不同制氧设备进行控制。若制氧机产生不正常情况时，能及时检测到并采取相关措施。

1.3 无线监控网络体系的实现

对于医用制氧机来说，其网络体系中主要是以无线网络为主，在这之中，其最重要的一个就是Zigbee网关,其主要管理传感器中的网络节点，同时全面的管理制氧机设备的各个节点。

2 医用制氧机群智能控制系统硬件核心模块设计

在基于无线网络的医用制氧机群项目中，最核心的部分是低生产成本、技术成熟的解决方案，搭建起能实时通讯与控制的无线网络。当前，市场上无线射频收发芯片的类型越来越多，数量也不断上涨，工作频段也有很多，例如2.4GHz、43MHz, 968MHz等。现在，很多大企业都集中精力对2.4GHz的Zigbee芯片进行研发。通过多种方案比较，我们最终决定采用CC2420为射频芯片。

2.1 无线网关模块

本文将2.4GHz的射频收发器等进行应用，将其和MCU有机结合在一起，使无线网关的功能设计得以实现，使不同芯片的功能得以全面的发挥出来。MCU与PC机串口之间的连接使用RS232总线标准，在此选择MAXIM公司的MAX232接收/发送器作为控制芯片和PC机串口串行接口电路，其特点有很多，一是功耗不高，二是单电源。想要使无线网络和数据通讯的作用得以全面实现，在设计无线网关的过程中，其接口中有两种，一是串行接口，二是射频接口，在这之中，后者主要在无线传感器节点中进行应用，使近距离通信和以实现，前者主要在与计算机的通信中应用。

2.2 医用制氧机控制器模块

图1：医用制氧机群总体架构

这一模块设计重点是接收、传送数据，对出氧量电路进行控制，有效的管理终端设备。对于传感器来说，其特点也有很多，一是尺寸不大，二是功耗小，三是适应能力突出，因此，可以结合Zigbee协议的相关内容，其设备发射范围是在0dbm到3.6dbm之间，通信距离在10米到75米间可以对链路的情况进行检测，同时结合检测的具体情况，可以对发射功能进行有效的调节，一方面使通讯质量得以确保，使小的能量消耗得以确保。想要使成本得以下降，所以，这一设计中将集成度高一些，性价比高一些的芯片进行应用，从而对网络的建设成本进行控制，使MCU和CC2420结合起来，方是最有效的选择。

2.3 智能控制中心

这一中心是通过计算机组成来实现的，其最突出的作用就是将数据进行收集以及监测，在这个过程中，有效的处理数据，对其进行妥善的保存，对数据进行传输和发送。在使用制氧机时，控制中心设备利用无线网络将控制指令进行传输，使传感器节点得以开启，在传感节点将指令进行获取时，从而采集制氧机的不同指标，采集完成后，利用无线网络，把数据向控制中心进行反馈。

3 医用制氧机群智能控制系统软件核心部分设计

对于控制系统来说，其工作无异常，只以硬件为主是不行的，必须有软件的配合方可使控制系统得以形成。对于医用制氧机来说，其智能系统的软件部分，设计内容有很多，例如设计CC240程序，以及设计读写程序等等。由于本文篇幅有限，就只此处针对软件的几个核心部分在实现原理与逻辑方面进行简单的描述。

首先，我们简单分析一下无线网关的软件实现原理。对于星型网络来说，在网络内有两个关键点，一是网关，二是终端。对于无线网关来说，其工作状态有四个方面，一是初始化，二是初始化工作，三是正常启动，四是正常工作。对于初始化状态来说，其主要是网关的最初情况，在形成网络时，一定要有无线网关，其它所有操作是不可以在此时实施的。此后开始进入初始化工作状态，也就是检索网关，同时将可用信道进行明确，做好建网准备。倘若建网失败，那么无线网关要向最初的状态返回，再将进行建网。倘若建网没有失败，那么就是正常启动。值得一提的是，初始化新网络时，一定要对网络初始化的完成情况进行监测，同时将肯定的回答进行获取，这样初始化方可结束。

其次，我们再简单分析一下控制器模块的软件实现原理。对于控制器模块来说，其功能有两个，一是利用数据采集来对信号进行检测，同时分析检测值，将控制参数进行传送，使自控功能得以实现；二是能够和其它网络节点实施数据效的，也就是我们所说的网络通讯。下面，就几个关键点的设计原理进行简单说明：

（1）智能控制程序设计原理：医用制氧机控制器模块在正常运行时，系统会智能的根据当时氧气的实时流量、浓度进行控制。对于智能流量控制器来说，以流量浓度检测传感器为依托，对氧气流量、浓度值等进行检测，同时可以结合这一设定值对其有效的管控。对于气体流量浓度传感器来说，能够对氧化的流量、浓度等情况进行检测，再把这一数据和设定值进行对比，倘若两个数值是一样的，那么就意味着其流量与设计要求相符合；相反，控制器将信号进行传输，对控制电路进行调节，直至两者相同时结束。

（2）智能流量检测程序设计原理：在设计过程中，对氧气流量的情况进行控制，可以将多种智能控制模式进行应用，任意一种模式与相应的流量值是匹配的，将其进行设定，从而使自动调节得以实现，从而使流量检测模块的作用充分发挥。同时，对于MCU来说，隔1秒钟就会将流量值进行读取，使其和设定值进行对比。想要使震动干扰形成的调节动作得以避免，就要将延时防扰程序加入进来，其延时时间是4秒，然而其产生的流量差值在高于50秒时方可将子程序启动；否则视为干扰不作处理。倘若将子程序启动，那么防扰子程序就会停止，前者会对等级范围进行检测，再隔1秒实施调节，直至与设计值相符合为止。

（3）智能调节模块程序设计原理：倘若其传感器出现电信号的情况时，利用负载电阻将其向电压值进行转变，再向A/D转换器进行传送，MCU把数字信号和寄存器设定值进行对比，值小一些就意味着气体流量要小一些，需增大流量;反之，需降低流量。控制气体流量时，利用交流电能够实现过零检测。

4 结论

本文就如何实现基于无线网络的医用制氧机群智能控制进行了总体框架、核心硬件设计部分、软件实现原理三个部分进行了简单说明，作者所在单位也通过该技术解决方案，研发出新款医用制氧机产品，投入市场后，运行稳定，解决了用户在医用制氧机使用过程中的管理问题，并很方便的接入医院信息化大数据平台，获得用户的一致好评。