1、基于物联网技术的医用气体供应监视系统基于物联网技术的医用气体供应监视系统 摘 要：医用气体供应监视系统对压力容器和管道内气体的压力、流量、温度以及压力容器内的液态气体质量、液位进行实时监测，系统采用嵌入式处理器对置于监视对象上的传感器感知数据进行采集、分析、处理，按照通信协议制定的规则封装数据包，通过GPRS、CDMA、WiFi 等方式将监测的数据实时上传至云服务器，在云服务器上对存储在Oracle数据库中的监视数据进行数据分析，并给出关于气体供应的当前状态、预/警报信息。然后通过大数据分析给出正确的气体供应策略，并提供精准的财务决算依据及面向指定设备的维保提议。该系统是满足现代化医院气体供应
2、的安全、可靠的运行平台。 关键词：气体供应监视；云服务；大数据分析；嵌入式处理器 中图分类号：TP277；TP274.2；X967 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）07-00-06 0 引 言 医疗气体管线供给系统是现代化医院重要的且必不可少的组成部分，它包括医用氧气系统、压缩空气系统、笑气（N2O）、氮气系统、二氧化碳系统和医用气体、液化气体供应与存储状况的监视与分析系统。 国内现有医用气体供应状况的监视更多的是依赖人工根据容器或其上的气压表的指示来手动调整供气的压力状况，依靠人工识读计量表来界定是否添加储罐中的液化气体。这种依靠人工的方式存在的首要问题是难以保证气体
3、供应的安全性与连续性，即便采取缩短对气体供应装置的巡察时间，也难以实现供应状态的实时报警。其次是缺少供应计量方面的精确性、计划性。移动气体钢瓶靠人工决定是否更换，经常造成使用中的气体钢瓶被提前更换的现象出现。同样，封闭容器内液体填注的时机、数量也完全由现场值班人员决定。何时充填、充填多少则由经验和估算决定。再次是对管道、封闭容器的完好性缺乏监测，给气体供应留下安全隐患。 基于物联网技术的医用气体供应监视系统主要运用传感技术、无线数据通信技术、云服务、数据挖掘技术对封闭容器内的气体、液化气体的温度、压力、质量和容器内的液位以及对外气体供应的瞬时流量进行远程监视。根据气体当前容器内的储备量和供应情
4、况进行分析，给出气体供应状况的警示，指导移动气体钢瓶的更换与封闭容器内的液体的充填时机；监督、记录气体钢瓶的更换时间与重量、压力、数量等级；测算注入容器内的液化气体的质量、体积；给出气体供应相关的月、季、年的财务参考数据。系统已成功应用于某中心医院，当年在降低劳动力成本、提高气体利用率方面为医院节省了七十多万元。通过对历史供应状况的数据分析，得出的关于气体供应方案的年度预算、管道健康状态的评估、气体供应与季节流行病的关系等有意义的课题推动了基于物联网技术的医用气体供应监视系统的潜在应用。该监视系统连续运行了1000多个日夜尚未发生任何系统故障，有力地保障了医院供气系统的安全性和高效性。 1 系
5、统架构 医用气体供应所监视的物理量有压力、压差、液位、流量、重量（液体罐）、温度等。 医用气体供应状态监视系统实现了医院用气的实时监测，对医院气体供应的现状实时表征，可及时发现供应状态的异常，可对供应储备下限进行预警或报警，使其保持良好的供应状态，杜绝了因人工巡视不及时导致的气体储备量不精准所带来的气体供应上的医疗风险。系统通过对医用气体供应的数据进行分析实现关于气体供应的财务报告。通过对现场数据的历史分析对管路健康情况做出评估。系统根据气体供应的情况可建立关于气体供应量与医院急救重症救治间的统计关系，更好地为现代化医院的管理与运营提供支持 。医用气体供应状态监视系统结构框图如图1所示。 该系
6、统是物联网的典型应用，分三个层次。底层为感知层。在医院气体供应领域，其感知层对象主要有氧气、二氧化碳、一氧化二氮（笑气），氮气等。这些医用气体在封闭的容器中储存，通常的状态为液态或气态。在封闭的容器中加装探测管线，通过在探测管线中加装传感器，将气体当前的物理状态参数转换成微电信号，通过信号调理将感知到的微电信号转化为与气体物理量对应的格式化量级，成为可进行数据传输的信号帧。 图2所示为对液氧罐体内外的氧气状态进行数据提取的框图，提取的数据有液氧罐体内的液氧液位，气化后的氧气压力、温度、输送给管线的氧气流量。 对可移动的灌装气体的数据提取采取集中管理的方式，在每种气体的汇流排上加装压力、温度、流
7、量传感器，实时上传传感信息；同时对供应管线上的灌装气体进行总体称重，监视罐体的重量变化，对非线性变化进行智能判断、记录。瓶装气体压力、温度、流量、重量数据提取的框图如图3所示。 系统第二层以嵌入式处理器为中心，采集处理来自底层的感知信号。这一层的主要功能是协调数据采集与数据发送，运用环形队列协调本层的通信处理器以完成上层数据报文的解析及本层数据报文的封装；建立数据流监视窗口，对超过上下限值的数据是否启动故障处理进程进行甄别；维护自身的程序与数据安全，管理本级系统的级联、I/O端口、通信配置。 系统第三层即顶层，该层使用了云平台。基于云平台建立系统的管理所带来的益处主要是现场减少了设备与发布系统
8、的物理线缆连接，现场施工、维护十分方便。设备的无故障时间得以提升。云端远程应用系统管理、配置、诊断、备份、更新、数据共享更加便捷。在客户端，使用医用气体供应监视系统的用户可以在任何可连通互联网络的电脑、智能手机、移动互联设备上得到云服务器、云虚拟主机记录的气体供应现场的气体供应状态数据、气体的储备余量/消耗量信息。可及时得到关于气体供应状态上限/下限的预警、报警。图4所示为采用云虚拟主机架构下的监视数据分享框图。 基于云服务架构的医用气体供应监视系统在连续运行三年多的时间里运行稳定。临床科室、设备管理、后勤财务等相关部门均可在第一时间得到所需的信息。 2 传感器选型要点 感知气体状态的首要器件
9、是传感器，医疗卫生中使用的气体与人体接触密切，要求与医用气体接触的传感器件在工作环境处于-40至+80的温度下不产生有毒物质；在供应气体的传输通道中，无机械动作带来的任何污染；同时供气设备具备低噪音、易维护，使用、安装方便的特点。 2.1 旋进旋涡气体流量计 在应用中利用气体漩涡来对管道内部的流动气体进行流量测量可较好地满足应用需求。其具有当流体通过螺旋形导流叶片组成的旋涡发生体后，流体被迫绕旋涡发生体中心剧烈旋转，形成旋涡流，旋涡流沿流动方向经缩径段后，流动强度得以增强的特点。旋进旋涡气体流量计如图5所示。 5.温度传感器；6.压电传感器；7.出口导流体 当旋涡流进入扩散段后，在导流体回流的
10、作用下产生旋涡的二次旋转运动，二次旋涡进动的频率与流量成正比，在很宽的流量范围内，旋涡的频率与流量成线性关系。经相关运算可得到压力、瞬时流量值。经信息处理通过420 mA电流信号或以RS 485接口信号输出。旋进旋涡气体流量计由于无机械磨损，结构免维护，无故障时间得以延长。 2.2 机电一体的压差液位计 在中型以上医院中，高压氧舱、手术室、急救中心是日常氧气用量较多的部门。通常采用液氧转换系统来保障日常的医用氧气供应。 液氧的储存主要使用储罐，储罐内部置有内胆，外壳与内胆间用隔热的珠光砂粉末填充，然后对夹层进行真空处理。通过夹层的隔热措施，保持内胆里的氧气处于低温液态。 机电相结合的差压液位计
11、较好地应用于低温液体介质的液位测量。其原理是基于低温容器内的液体高度，等比于低温容器内气相与液相静压力之差。通过测量静压力差的大小来确定被测液体的高度。压差的提取方式如图6所示。 当工作介质气体经过节流装置时所产生的压力差通过高压阀和低压阀进入感测部分的介质仓。来自罐体顶部的气体压力P0与底部的压力PB在介质仓内被一个弹性隔膜隔断，作用在膈膜两侧的压差变化导致了弹性膈膜的反抗与恢复。这个动作过程被按比例的传导到联动机械装置上，从而使压差的变化可测量。信号处理器采集这个机械动作的变化量，转化得到低温容器内的液体高度数据值，用环流形式以420 mA输出。以这种方式提取的液位信息在工程实现上安全、方
12、便、数据线性误差较小。 3 嵌入式硬/软件设计 3.1 嵌入式硬件体系 医用气体供应系统对传感器/变送器的数据采集与处理采用了嵌入式处理器，而未采用PLC控制系统，这主要基于如下考虑： （1）基于对信息的处理与运算。 （2）基于归一化接口信号与设备级联。 （3）基于Cortex-M3处理器的高性价比。 更多的用户希望通过中层设备实现远程无线联网，与众多移动数据设备如PDA、智能手机、数据终端进行无线通信。希望能在控制器中进行复杂的算法运算和多向量中断处理，并具备数据存储和图形显示功能，满足现场数据读取、人机交互、系统检测的应用需求。为此，我们从仪表+PLC+PC的控制模式转向了PAC+云服务的
13、模式。 医用气体供应系统的传感信号经过调理后通过RS 485总线传至嵌入式处理器，系统采用了Cortex-M3处理器，集成了存储器控制器，定义了4个串行接口、CAN总线接口、USB接口，其设计框图如图7所示。 3.2 嵌入式系统应用软件数据采集与处理 MCU微处理器在系统中担负着数据采集、通信管理、安全自检等职责，它利用存储、运算的优势完成如下动作： （1）初始化GPRS DTU，SMS DTU，保持GPRS建立与云端的通信连接，维护本地时间保持与云端的同步。 （2）扫描、维护数据报警限度表，监视FPGA发来的数据帧中的数据是否超限、超时。当发现上述情况则启动报警流程，通过SMS DTU发送报
14、警信息。 （3）设备状态判断。对前端变送器、安全栅、FPGA、断电、失效做出评估，并将情况通过GPRS、SMS短信方式通知维护者。 （4）按用户定义的通信协议打包数据帧，CRC校验数据帧，在连接状态下发送数据帧。数据包接收与发送流程图如图8所示。 （5）解析云端的信息，按照云端的指令进行相应的操作。云端操作包括上传设备当前状态、上传设备检查和暂停服务、接收数据包、系统复位、系统关机。 （6）维护系统参数表。MCU按参数表内容分配资源，定义程序运行参数。 应用软件在长期运行过程中保持稳定所采取的主要措施是应用系统启动加载后定时检查维护程序所设定的数据表。该表含有程序的自我诊断检查和通信协议参数等
15、。系统在定义的任务执行后自检，比较数据表、程序、数据出现错误后均重启系统。或使用watchdog，在程序“跑飞”后复位系统。 4 云服务平台应用软件设计 系统的云服务包括与设备相关的地理信息、设备管理、数据获取导航、现场数据实时监视、数据趋势分析图表、设备异常征候预警与异常时的报警服务、故障诊断等。 这些功能紧密围绕着数据库的应用展开，由云存储系统和云发布系统组成。 4.1 云主机支持下的数据存储策略 云主机是云计算在基础设施应用上的重要组成部分，云主机整合了互联网应用的三大核心要素：计算、存储、网络，面向用户提供公用化的互联网基础设施服务。 系统采用了阿里云云主机，基于庞大的服务器集群，硬件
16、全部冗余，单点故障率几乎为零，让用户感觉不到硬件故障的发生。智能多线机房，千兆共享、5 M独享带宽保证了系统数据传输的速度。在云主机平台下本系统配置了Oracle服务器管理前端发来的医用气体的状态监视信息。在多点监控点、不间断实时数据接收情况下为保证数据的合理存储、数据块的快速查询，系统将数据表分时段存储，即对一监控对象的数据按年、季、月、日建立数据表格。每日产生的数据在此日的数据转储时间由数据库的定时任务转储到月表中。日数据表仅保存当日的数据，保证在当日频繁的数据读写操作过程中保持数据服务的快速、流畅。同理，月表累计一个月的数据，在以月为单位的数据查询中提高了系统的查询速度，年终由系统所定义
17、的任务将12个月表进行归一化处理存档。 4.2.13 数据共享服务设置 用户再登录网站后系统根据用户注册的情况分配了不同的级别，其所能见到和操作界面与命令权限也不同。用户在系统的授权下可以得到更多的系统服务，可以下载相关数据、报表、图表等，并通过地理信息平台的服务得到系统中不同区域的数据。 4.2.14 管理信息公告发布 发布系统面向用户的管理信息公告发布可以是广播形式的，也可是对用户组、单一用户的信息发布。其具有界面标识提醒、弹出窗口、信息栏信息滚动等显示方式。 5 系统安全设计要点 医用气体供应监视是典型的物联网+技术应用。涉及的领域有医学气体工程、数字信号处理、云服务领域。在工程实现中，
18、信息安全方面要解决的问题有以下几项： （1）排除人为对系统的干扰 识别罐体更换中人员与物体对称重系统的冲击。一般情况下，罐体更换具有短时间内重量变化幅度大，变化前后的重量差为单满罐重量的整数倍，变化时间区间在12分钟内的特征。根据特征程序对正常换罐动作记录罐体更换的数据，无报警处理。 正常情况下气体消耗曲线是线性递减的，若重量突然增加，则系统认为是一个事件，若人为导致称重系统的惯性冲击，则其最终结果是冲击前后的重量差为零。据此可判定是人为动作。程序对此做数据记录，但不做报警处理。 无论是增加还是减少称重系统上的物体，如果不具备换罐特征，则系统将实时报警，并记录事件发生的时间与过程。 （2）数据
19、传输对信源编码加密 从前端传感器、变送器发来的信息经嵌入式处理器的处理后要通过无线传输的方式发至云服务器。空中信息可以被侦听、截收。意味着传输的信息可能会被解析，造成前端、服务器端被第三方利用，或遭到破坏，从而导致系统瘫痪。 因此，必须对系统的信源编码采取加密措施。信息口令、时间数据、位置数据、传感数据、报警数据通过数据加密链后封装在数据报文中。 使用GPRS进行数据传输时，采取信息帧流水号、数据报文、CRC校验方式建立数据帧的格式。保证报文的完整性。 在与服务器进行通信前，首先采取相互认证的方式建立连接。变送器到处理器间若存在长距离外线，发送前端应进行数据加密处理。 （3）服务器端口的自我保
20、护 接收程序接收到数据报文后，首先对信息格式进行甄别。判定这帧数据是否是请求信息，执行应答验证。若不是规则之内，将断开连接。 在连接成功后，进行数据报文解析，通过解码器还原数据报。若数据格式、注册ID等非规则，则断开连接。 只有符合规则的信息报才能够被系统解析至数据库，并通过发布系统发布。当系统解析出现大量非注册段IP的恶意攻击时，系统报警，并向注册和已连接用户发送端口转移信令，启用备用端口服务。 （4）数据空间的自调整诊断 气体供应监视系统是不间断的在线数据处理与记录的系统。应用当中会接受云服务器的系统更新等安全方面的服务，需要预留部分存储资源。与此同时，系统的存储空间会随系统数据库使用时间
21、的延长而越来越小。需要程序计算存储空间提供数据存储图，自动或提示导出数据。防止因运行空间不足导致停机等状况的发生。 6 结 语 医用气体、液化气体供应与存储状况的监视与分析，使医院能以较低的投资获得一个功效强大的供气系统，不仅保障了医用气体供应的安全，还节省了人力、物力、财力，实现了现代医院气体工程系统高效、安全、可靠地运行。 参考文献 1中华人民共和国卫生部.医用气体工程技术规范（GB50751-2012）S.北京：中国计划出版社，2012. 2姚文祥.ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南（第3版）M.吴常玉，曹孟娟，王丽红，译.北京：清华大学出版社，2015. 3阿里云云服务器ECSEB/OL.https：/ 4王伟，王进.物联网黑客在RFID中的技术手段与信息安全警示J.物联网技术，2015，5（11）：82-87.
