【作 者】周學(xué)軍，俞凱君

1 南通市第一人民醫(yī)院設(shè)備科 ，南通，226001

2 上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校，上海， 200093

0 引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像的發(fā)展，醫(yī)療檢查和治療越來越離不開影像設(shè)備，普放、 CR 、DR 、CT 核磁共振等影像診斷設(shè)備到ECT、 DSA 、加速器等治療設(shè)備，已經(jīng)成為醫(yī)院不可或缺的設(shè)備。先進(jìn)的影像設(shè)備自然也離不開計(jì)算機(jī)，其正常運(yùn)行對(duì)環(huán)境溫、濕度有著較高的要求。影像設(shè)備中使用了大量的半導(dǎo)體器件、電阻和電容等電子元器件，在影像設(shè)備加電工作時(shí)，環(huán)境溫度的升高會(huì)對(duì)電子元器件的正常工作造成影響，過高或過低的溫度可能會(huì)使某些元器件工作參數(shù)產(chǎn)生漂移，影響電路的穩(wěn)定性和可靠性。濕度過大也會(huì)影響元器件的正常工作，嚴(yán)重時(shí)還可造成元

器件的擊穿損壞，從而也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的故障。因此，較好地控制環(huán)境溫、濕度對(duì)充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，延長機(jī)器使用壽命，確保數(shù)據(jù)安全性及準(zhǔn)確性是非常重要的問題。影像機(jī)房的集中實(shí)時(shí)監(jiān)測控制環(huán)境溫、濕度已成醫(yī)院的一個(gè)難題。

我們根據(jù)醫(yī)院機(jī)房分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)的影像機(jī)房溫，濕度監(jiān)測系統(tǒng)。在機(jī)房的各個(gè)重要部位，裝設(shè)溫、濕度檢測模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測控制環(huán)境中的溫、濕度和露點(diǎn)，記錄溫、濕度曲線供管理人員查詢。一旦發(fā)現(xiàn)溫、濕度超限即時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，提醒管理人員及時(shí)調(diào)整空調(diào)的工作設(shè)置值或調(diào)整機(jī)房內(nèi)的設(shè)備分布情況，同時(shí)系統(tǒng)也可自動(dòng)調(diào)整空調(diào)的工作設(shè)置值。記錄曲線供機(jī)房管理人員參考，在問題發(fā)生后可根據(jù)記錄曲線輕松找到問題所在，方便解決問題。與有線通信相比，系統(tǒng)不需要架設(shè)傳輸線路，不受通信距離限制，機(jī)動(dòng)性好，建立迅速。該系統(tǒng)采用進(jìn)口數(shù)字式傳感器和智能單片機(jī)芯片，工作準(zhǔn)確可靠。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由中央站和溫、濕度實(shí)地檢測點(diǎn)兩部分構(gòu)成。中央站負(fù)責(zé)接收信息，并在屏幕顯示實(shí)地、實(shí)時(shí)的各指標(biāo)測試結(jié)果，自動(dòng)采集、記錄、處理（平均、最值、報(bào)警）各測點(diǎn)溫、濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)信息超限時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。溫、濕度實(shí)時(shí)檢測點(diǎn)由數(shù)字溫、濕度傳感器加單片機(jī)以及無線通信模塊組成。

1.2 功能簡介

(1) 實(shí)時(shí)測量、顯示當(dāng)?shù)氐臏?、濕度?shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，可選定相應(yīng)的工作區(qū)間，并顯示實(shí)地、實(shí)時(shí)的各指標(biāo)測試結(jié)果。

(2) 自動(dòng)采集、記錄、處理（平均、最值、報(bào)警）各測點(diǎn)溫、濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式為表格、曲線和報(bào)警超標(biāo)記錄等。

(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)間隔可任意設(shè)定，數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)硬盤，對(duì)存儲(chǔ)時(shí)間無限制。

(4) 各監(jiān)控點(diǎn)的名稱、報(bào)警范圍可任意定義。

(5) 數(shù)據(jù)的查詢方式靈活多樣，檢測記錄穩(wěn)定可靠。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，中央站與檢測點(diǎn)之間以無線方式傳輸信息和數(shù)據(jù)。

圖 1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware Structure

2.2 溫、濕度檢測點(diǎn)

傳統(tǒng)的溫、濕度檢測方式為溫濕度傳感器輸出電壓或電流信號(hào)，通過模擬量采集模塊傳送至計(jì)算機(jī)，電壓或電流信號(hào)在傳輸過程中不可避免地受到線材質(zhì)量、傳輸距離和電磁干擾等影響，不可避免地會(huì)造成誤差。為確保溫、濕度檢測值不受上述因素的影響，我們選用數(shù)字式溫、濕度傳感器，由傳感器把檢測到的溫、濕度值直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最大限度地保證了溫、濕度檢測的準(zhǔn)確性。

2.3 SHT11的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫、濕度傳感器芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要功能特點(diǎn)如下：

圖2 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of SHT 11

(1) 高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上；

(2) 提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；

(3) 測量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過對(duì)芯片內(nèi)部寄存器編程選擇)；

(4) 測量精確度高，由于同時(shí)集成溫、濕度傳感器，可以提供經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能。

溫、濕度傳感器SHT11包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能源材料制成的溫度敏感元件。這兩個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)入微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。SHT11在出廠前，在恒濕或恒溫環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中，在測量過程中會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)傳感器檢測到的信號(hào)。此外，SHT11內(nèi)部還集成了一個(gè)加熱元件，加熱元件接通后可以將SHT11的溫度升高5℃左右。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。在高濕(＞95%RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預(yù)防傳感器結(jié)露，同時(shí)縮短響應(yīng)時(shí)間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高，相對(duì)濕度降低，較加熱前測量值會(huì)略有差異。

2.4 CC1020無線通信模塊

CC1020是一種理想的UHF單片收發(fā)器芯片，主要用于ISM(工業(yè)、科研及醫(yī)療)頻帶和在426/429/433/868/915MHz頻帶，也可經(jīng)編程后用于頻率為402MHz～470MHz和 804MHz～940MHz的多信道設(shè)備。CC1020主要的工作參數(shù)可通過串行總線接口編程，例如輸出功率、頻率及AFC。

在接收模式下，CC1020可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器。RF輸入信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器(LNA1和LNA2)放大后，翻轉(zhuǎn)經(jīng)過積分器(I和Q)產(chǎn)生中頻IF信號(hào)。在中頻處理階段，I/Q信號(hào)經(jīng)混合濾波、放大后由ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。然后，進(jìn)行自動(dòng)獲取控制、信道濾波、解調(diào)和二進(jìn)制同步化處理，在DIO引腳輸出數(shù)字解調(diào)數(shù)據(jù)，DCLK引腳獲取同步數(shù)字時(shí)鐘數(shù)據(jù)。RSSI為數(shù)字形式，并可通過串行接口讀出。RSSI還可作為可編程的載波檢測指示器。

在發(fā)送模式下，合成的RF信號(hào)直接饋送到功率放大器PA。射頻輸出是FSK信號(hào)，此信號(hào)是由饋送到DIO引腳的數(shù)字比特流通過FSK調(diào)制產(chǎn)生的?？墒褂靡粋€(gè)高頻濾波器來得到高斯頻移鍵控GFSK。芯片內(nèi)部的收/發(fā)開關(guān)電路使天線容易接入和匹配。

CC1020 的控制非常靈活,內(nèi)部有多個(gè)寄存器可以對(duì)功率、頻機(jī)、傳輸數(shù)率等參數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，但在進(jìn)行變化時(shí)要注意要硬件的變化。

CC1020無線通信模塊有如下主要特點(diǎn)：

(1) 載波頻率 433MHz，也可定制其它頻段，如300-350 MHz, 390-460MHz 及 780-925 MHz；

(2) 多種可選的通訊接口 RS-232、TTL或 RS-485接口；

(3) 數(shù)據(jù)格式 8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位數(shù)據(jù)位)；

(4) 傳輸數(shù)率 1200、2400、4800、9600、19200、38400、100kbps、250kbps；

(5) 16個(gè)通訊信道 也可擴(kuò)展；

(6) 透明的數(shù)據(jù)傳輸 提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議；

(7) 收發(fā)一體，半雙工工作模式；

(8) 采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，功耗低，可靠性高。

2.5 串行通信控件MSCOMM

MSCOMM控件，即Microsoft Communication Control，是Microsoft為簡化Windows下串行通信編程而提供的ActiveX控件。它提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用接口，利用它可以建立與串口的連接，并可以通過串口連接到其他通信設(shè)備（如調(diào)制解調(diào)器），發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的事件和錯(cuò)誤。MSCOMM控件可用于創(chuàng)建電話撥號(hào)程序、串口通信程序和功能完備的終端程序。

串行通信控件MSCOMM32.OCX提供了使用RS-232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的所有協(xié)議。VC++編程語言為該控件提供了標(biāo)準(zhǔn)的事件處理函數(shù)、過程，并通過屬性和方法提供了串行通信的設(shè)置。該控件使用戶能夠方便地訪問Windows串行通信驅(qū)動(dòng)程序的大多數(shù)特性，包括輸入、輸出緩沖區(qū)的大小及決定何時(shí)使用流控制命令掛起數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

打開所需串口后，我們需要考慮串口通信的時(shí)機(jī)。在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，可能需要監(jiān)視并響應(yīng)一些事件和錯(cuò)誤，所以事件驅(qū)動(dòng)是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法。使用OnComm事件和CommEvent屬性捕捉并檢查通信事件和錯(cuò)誤的值。發(fā)生通信事件或錯(cuò)誤時(shí)將觸發(fā)OnComm事件，CommEvent屬性的值將被改變，應(yīng)用程序通過檢查CommEvent屬性值并做出相應(yīng)的反應(yīng)。

3 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 模塊與中央站接口

模塊與中央站接口如圖3所示。

圖3 通信接口Fig.3 Communication Interface

3.2 通信方式

對(duì)于通信系統(tǒng)來說，可靠性、安全性是首先要考慮的，因此通信的抗干擾能力、錯(cuò)誤的處理能力也非常重要?；谕ㄐ畔到y(tǒng)自身的特點(diǎn)，上位機(jī)與它進(jìn)行通信，必須滿足其特定的要求，因此我們采用如下的通信方式。

(1) 主從方式

上位機(jī)為主機(jī)，下位機(jī)為從機(jī)。一般情況下，下位機(jī)不能主動(dòng)給上位機(jī)發(fā)送信息，只有上位機(jī)給下位機(jī)發(fā)出指令后，下位機(jī)才能作出應(yīng)答。這樣我們可以通過上位機(jī)，很好地控制整個(gè)通信過程。

(2) 數(shù)據(jù)幀方式

采用數(shù)據(jù)幀的方式，有利于保證數(shù)據(jù)包的完整性，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和處理。在我們的通信系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)均采用相同的協(xié)議對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行打包或解包。

(3) 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

由于傳輸距離、現(xiàn)場狀況等諸多可能出現(xiàn)的因素影響，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)常會(huì)發(fā)生無法預(yù)測的錯(cuò)誤。為防止錯(cuò)誤帶來的影響，一般在通信時(shí)采取數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法。數(shù)據(jù)在傳輸過程中，由于干擾可能引起信息的出錯(cuò)，出現(xiàn)“誤碼”，為了保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會(huì)出錯(cuò)，在每個(gè)數(shù)據(jù)包后面加上校驗(yàn)字節(jié)。校驗(yàn)是發(fā)送TX端與接收RX端共同完成的過程。我們采用異或校驗(yàn)，是一種簡單而實(shí)用的校驗(yàn)方式。在上位機(jī)發(fā)送指令前，自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)的異或和，并將它附在數(shù)據(jù)幀的末端，一起發(fā)送給下位機(jī)；下位機(jī)在接收到數(shù)據(jù)幀后，先解包，然后再計(jì)算一次數(shù)據(jù)的異或和，用它與數(shù)據(jù)幀末端的校驗(yàn)和進(jìn)行比較，反之亦然。使用這種方式可以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是否發(fā)生了變異。

圖 4 數(shù)據(jù)包校驗(yàn)流程Fig.4 Checking fl ow chart of data packet

（本刊訊）

(4) 自動(dòng)重發(fā)機(jī)制

下位機(jī)在接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀時(shí)， 將會(huì)把該數(shù)據(jù)幀遺棄掉，同時(shí)向上位機(jī)返回錯(cuò)誤碼報(bào)錯(cuò)。這時(shí)候，該幀數(shù)據(jù)需要重新發(fā)送。如果把重發(fā)任務(wù)交給應(yīng)用程序，程序?qū)⒆兊帽容^復(fù)雜。我們把這個(gè)任務(wù)交給控件，可以很輕松的實(shí)現(xiàn)重發(fā)功能。在控件內(nèi)部，當(dāng)新的數(shù)據(jù)發(fā)送之前，都將數(shù)據(jù)做一個(gè)備份，直到確認(rèn)接收正確了，才將其消除。如果發(fā)現(xiàn)還有錯(cuò)誤，將其再次發(fā)出去。

(5) 應(yīng)答方式

在通信過程中，下位機(jī)對(duì)上位機(jī)每一幀數(shù)據(jù)都必須做出的應(yīng)答。上位機(jī)根據(jù)返回的應(yīng)答判斷通信狀態(tài)，然后進(jìn)行下一步動(dòng)作。為了安全起見，規(guī)定只有在確認(rèn)前一包指令正確應(yīng)答之后，才可以發(fā)下一包指令。對(duì)于非查詢指令(包括全部解釋執(zhí)行指令和部分立即執(zhí)行指令)，下位機(jī)收到后，返回該指令的命令字;對(duì)于查詢指令，除了返回命令字之外，同時(shí)還返回查詢數(shù)據(jù)。如果下位機(jī)檢測到數(shù)據(jù)幀有問題，如無幀頭、校驗(yàn)和錯(cuò)等，則返回相應(yīng)的錯(cuò)誤碼。上位機(jī)在發(fā)送指令的時(shí)候，同時(shí)記錄下了該指令的命令字。在接收到下位機(jī)返回的應(yīng)答后，將其中的命令字與保留的命令字比較，如果一樣，則說明發(fā)送正確，可以發(fā)送下一條指令；反之，則說明指令發(fā)送有問題，根據(jù)錯(cuò)誤碼進(jìn)行錯(cuò)誤處理，并重發(fā)當(dāng)前指令包。

4 中央站軟件設(shè)計(jì)

中央站采用P C機(jī)或筆記本電腦，程序由Microsoft開發(fā)WINDOWS下的VISUAL C++編寫。

5 結(jié)論

影像機(jī)房溫、濕度控制監(jiān)測系統(tǒng)可連續(xù)采集記錄環(huán)境溫、濕度值，自動(dòng)化程度高，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，完全實(shí)現(xiàn)無人值守，符合數(shù)字化、現(xiàn)代化醫(yī)院機(jī)房建設(shè)的需要。

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