趙海宏

河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院 醫(yī)療設備處，河北 石家莊 050000

引言

空氣正壓系統(tǒng)具備凈化、殺毒、換氣以及多重凈化消毒組合等特點，因此，其主要用于醫(yī)療場所，例如，醫(yī)院、基因擴增實驗室等，其主要通過空氣壓縮機完成系統(tǒng)的運行和使用[1]。目前醫(yī)院在搶救和治療過程中主要使用液態(tài)氧氣壓縮瓶及醫(yī)用分子篩中心制氧系統(tǒng)，其在氧氣生產過程中，壓縮機會對進入的空氣實行壓縮處理，并將空氣壓縮至空壓機冷干系統(tǒng)和高壓儲氣罐中[2]，再經分子篩吸附系統(tǒng)以及減壓閥的處理后進入氧氣存儲罐中，其是用于醫(yī)學診斷以及救治病情嚴重患者的主要醫(yī)療設備，但若出現(xiàn)故障將會威脅患者生命安全[3]?？諝庹龎合到y(tǒng)主要為患者提供空氣，但若在使用過程中發(fā)生異常，會對使用患者造成極大影響，例如，其發(fā)生氣體含油量或者含水量過大等情況時，會引起呼吸機異常，甚至威脅患者生命安全。因此，為保證醫(yī)院空氣正壓的安全使用和運行，實時監(jiān)測成為主要手段。但由于目前大多醫(yī)院對空氣正壓的監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，因此，對于監(jiān)測的實時性、可靠性存在明顯不足。傳感器則是一種有效、可靠的監(jiān)測裝置，能夠感知測量目標的相關信息，并完成感知信息的實行傳輸[4]。多傳感器則是將多種傳感器實行組合，實現(xiàn)目標的監(jiān)測。

Camelia等[5]和盧光躍等[6]為實現(xiàn)異常的實時監(jiān)測，分別研究基于深度學習和基于圖信號處理異常監(jiān)測方法，但由于空氣正壓系統(tǒng)異常監(jiān)測方法的魯棒性較差，導致上述方法在異常狀態(tài)早期的監(jiān)測效果不理想?；诖耍疚闹荚谠O計一種基于多傳感器的醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警系統(tǒng)，以期實時掌握醫(yī)院空氣正壓氣體的使用情況，及時發(fā)送異常報警。

1 醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構

本文設計的系統(tǒng)架構如圖1所示，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分通過多傳感器獲取空氣正壓數(shù)據(jù)，并經由數(shù)據(jù)通信部分將數(shù)據(jù)安全傳送至監(jiān)測報警部分，該部分對數(shù)據(jù)實行異常故障關聯(lián)度分析計算后，通過顯示報警器發(fā)送預警，醫(yī)院監(jiān)控部門可通過顯示器查看監(jiān)測報警結果。

圖1 醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警系統(tǒng)架構

系統(tǒng)整體由控制終端、數(shù)據(jù)通信、控制終端3個部分組成。

（1）數(shù)據(jù)采集部分：該部分主要是由溫度傳感器、露點傳感器、壓力傳感器、濃度傳感器、開關量以及氣體流量傳感器組成，完成醫(yī)院空氣正壓異常數(shù)據(jù)的采集。

（2）數(shù)據(jù)通信部分：本文在實行數(shù)據(jù)通信過程中，采用ZigBee無線傳感網絡完成，為保證該網絡的通信效率和通信安全[7-8]，利用通信協(xié)議將采集到數(shù)據(jù)傳輸給工控機。

（3）控制終端部分：監(jiān)測報警是系統(tǒng)的最終實現(xiàn)目的，也是系統(tǒng)的核心部分，采用遠程控制終端對工控機進行調控，利用監(jiān)控顯示終端顯示醫(yī)院空氣正壓異常情況。

1.2 數(shù)據(jù)采集部分

1.2.1 空氣正壓采集硬件結構

本文在對醫(yī)院正壓氣體實行異常監(jiān)測報警時，結合自動化和智能化的應用需求，為可靠監(jiān)測正壓氣體的整體情況，采用多傳感器對正壓氣體實行采集，改變之前的人工巡查方式[7]。醫(yī)院空氣正壓在使用過程中，需依據(jù)其不同的參數(shù)量程和氣體介質，確定多傳感器的選擇和部署，本文結合醫(yī)院的正壓氣體使用標準，選擇不同技術指標的傳感器，完成空氣正壓氣體的數(shù)據(jù)采集，則該采集部分的硬件結構如圖2所示，由于系統(tǒng)中的中央監(jiān)控主機在對空氣正壓實行監(jiān)測過程中，無法直接獲取出多傳感器采集的空氣正壓數(shù)據(jù)，因此，ZigBee芯片是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，ZigBee芯片能夠對GWD42型溫度傳感器、GYH25型氣流傳感器、協(xié)調器、米科MIK-P300型壓力傳感器、gcg-1000型濃度傳感器、DPT-990EX型露點傳感器以及麥哲倫GPS進行綜合調控。在設計過程中，部署的采集硬件ZigBee芯片與多傳感器連接，通過芯片的集成、轉換等處理，獲取多傳感器采集的空氣正壓數(shù)據(jù)；并且ZigBee芯片能夠控制多傳感器，可通過接力的方式向協(xié)調器中傳送多傳感器采集信息，在此基礎上，傳送至網關中，進而通過網關傳送至監(jiān)測報警部分[9-11]。為保證采集的持續(xù)性，采用3.5 V的電源完成供電，同時，該采集硬件設有I2C總線和Uart開放接口，以此實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展。

圖2 空氣正壓采集硬件結構

（1）GWD42型溫度傳感器實物圖如圖3所示。GWD42型溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的傳感器。

圖3 GWD42型溫度傳感器

（2）gcg-1000型濃度傳感器如圖4所示。gcg-1000型粉塵濃度傳感器可直讀空氣中粉塵顆粒物質量濃度。由微處理器對檢測數(shù)據(jù)進行運算直接顯示粉塵質量濃度并轉換成數(shù)據(jù)信號輸出。

圖4 gcg-1000型濃度傳感器

1.2.2 空氣正壓數(shù)據(jù)采集流程

本文設計的空氣正壓采集硬件結構能夠同時獲取多種傳感器的采集結果，避免逐一獲取傳感器采集信息的低效率采集方式，選取ZigBee芯片進行監(jiān)測報警系統(tǒng)的控制。這是因為ZigBee技術被應用到醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警中時具有如下的優(yōu)點：① 自組織：ZigBee網絡中每個設備無須特別的現(xiàn)場配置就能加入網絡，易于安裝，適合大規(guī)模應用；② 功耗低：在網絡運行后，應用ZigBee技術進行數(shù)據(jù)傳輸時速率較低，因此，收發(fā)信號時間較短。由于進行信息收發(fā)消耗的功率較低且節(jié)點在不工作時采用休眠處理，可延長其生存周期。這對于連續(xù)長時間監(jiān)測空氣正壓系統(tǒng)具有重要意義；③ 通信距離近：2個ZigBee設備之間通?？梢栽?0～100 m范圍內進行通信。加強后，可在大范圍內通信。設計系統(tǒng)的整個采集流程如圖5所示，利用多傳感器獲取人體相關數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)轉換器實現(xiàn)工控機與集線器的數(shù)據(jù)交互控制，經由路由器與互聯(lián)網獲取到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯χ行?，將互?lián)網中的空氣正壓數(shù)據(jù)反饋給用戶智能終端?？諝庹龎簲?shù)據(jù)采集指令由監(jiān)測報警部分的管控中心下達，多傳感器根據(jù)指令在ZigBee芯片的控制下，采集空氣正壓氣體數(shù)據(jù)，每個傳感器采集的數(shù)據(jù)直接經由數(shù)據(jù)轉換器實行轉換處理，兩者之間采用采集串口相連接，經由集線器、工控機等處理，將采集的數(shù)據(jù)存儲至以存儲中心中，此完成空氣正壓氣體數(shù)據(jù)的采集。

圖5 空氣正壓數(shù)據(jù)采集流程

1.3 空氣正壓數(shù)據(jù)通信硬件結構

ZigBee無線傳感網絡在實行空氣正壓數(shù)據(jù)通信過程中，主要依據(jù)基于路徑質量的無線傳感網絡路由協(xié)議和ZigBee網關實現(xiàn)，整個網絡通信硬件結構如圖6所示，整個網絡結構主要分為感知層、網關層、應用層3個層次。分析圖6可知，空氣正壓數(shù)據(jù)通信硬件結構由應用層、網關層以及感知層組織，由ZigBee芯片及藍牙設備能夠實現(xiàn)空氣正壓數(shù)據(jù)通信感知，通過GPRS技術能夠提升空氣正壓數(shù)據(jù)通信質量，通過局域網及以太網實現(xiàn)協(xié)議匹配及協(xié)議轉換，并在網關層進行數(shù)據(jù)交互。

圖6 空氣正壓數(shù)據(jù)通信硬件結構

1.4 空氣正壓異常報警方法

為實現(xiàn)對空氣正壓狀態(tài)的判斷，系統(tǒng)的監(jiān)測預警部分需對采集的空氣正壓數(shù)據(jù)實行異常計算分析，以此判斷數(shù)據(jù)中是否存在異常狀態(tài)[12]。為保證報警結果的提前性和可靠性，本文采用基于異常組合故障關聯(lián)度完成異常計算和報警，該報警主要分為空氣正壓異常篩選、異常事故關聯(lián)度計算、報警關聯(lián)度評價指標3個步驟，具體如下。

1.4.1 空氣正壓異常篩選

空氣正壓異常與報警故障之間存在明顯的耦合特性，并且，受到空氣正壓發(fā)生小概率異常的影響，導致對于空氣正壓異常預警的可靠性降低，因此，本文采用基于Apriori算法完成空氣正壓異常篩選，可獲取采集的空氣正壓數(shù)據(jù)中的出現(xiàn)頻率較高的異常數(shù)據(jù)[13]。

設異空氣正壓異常事件用T={t1,t2,…,ti}，其中，ti表示空氣正壓異常事件Bi，IT則表示I項集，且包含I個項。定義事務S表示空氣正壓在一定時間范圍內發(fā)生的異常報警集合，其是T的子集，事務集合U是由差異性的組成，基于此形成關聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)的事務數(shù)據(jù)庫。

定 義 頻 繁 項 集，t1、t2均 為T的2個 子 集， 且，則支持度的計算方式如公式（1）所示。

式中，F(xiàn)表示次數(shù)，對應t1、t2同時出現(xiàn)的次數(shù)。

為更好地判定頻繁項集，引入置信度，其能夠描述一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)后，另一個數(shù)據(jù)的出現(xiàn)概率，以此對子集實行約束，見公式（2）。

基于Apriori算法的空氣正壓異常篩選詳細計算步驟如下：① 設支持度和置信度兩者的閾值分別為α和β，將二者和U作為輸入的數(shù)據(jù)集合；② 為獲取全部出現(xiàn)過的數(shù)據(jù)，采用掃描的方式對數(shù)據(jù)集合實行處理，以此，尋找各個異?？諝庹龎簲?shù)據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)[14]；③ 對各個類別的異?？諝庹龎菏录闹С侄葘嵭星蠼?，將計算結果中低于設定閾值的置信度對應的數(shù)據(jù)集刪除，采用組合的方式處理剩余數(shù)據(jù)集，形成空氣正壓異常事件[15]，即為2種異常組合，并對其出現(xiàn)頻率實行計算；④ 根據(jù)步驟③計算的事件支持度和置信度，將結果中低于設定閾值的置信度對應的數(shù)據(jù)集刪除，采用組合的方式完成將剩余數(shù)據(jù)集的處理，形成的空氣正壓異常事件，即為3種異常組合，并對其出現(xiàn)頻率實行計算；⑤ 獲取空氣正壓全部頻繁組合異常事件項集，其通過層次搜索方法完成[16-18]。

1.4.2 異常事故關聯(lián)度計算

由于在實際使用中，空氣正壓連續(xù)發(fā)生3種異常的報警事件的概率極低，因此，僅對2種組合異常事件實行關聯(lián)度計算。

設Bi和Bj分別表示空氣正壓頻繁出現(xiàn)異常的一組事件，其中，i,j∩I；如果P(A2|Bi)和P(A2|Bj)均表示空壓正壓故障概率，均為單異常事件導致，那么，Bi和Bj并發(fā)時的空氣正壓故障關聯(lián)程度P(A2|Bi∪Bj)的計算方式如公式（3）所示。

式中，E1和E2均表示故障關聯(lián)程度，前者是由Bi引起，后者是由Bj引發(fā)。

1.4.3 報警關聯(lián)度評價指標

空氣正壓發(fā)生異常報警時，存在單異常故障報警、組合異常故障報警、多個單故障異常報警3種情況。單異常故障報警和組合異常故障報警分別依據(jù)對應的故障關聯(lián)度評價完成[19-20]；多個單故障異常報警則通過最大的關聯(lián)度值Z評價，其標準公式如式（4）所示。

式中，Z的數(shù)值范圍和空氣正壓異常之間的關系如下：Z取值范圍為0.1～19.9，監(jiān)測結果為運行正常；Z取值范圍為20.0～39.9，監(jiān)測結果為異常；Z取值范圍為＞40，監(jiān)測結果為故障。

1.5 空氣正壓數(shù)據(jù)的采集效果

為測試本系統(tǒng)空氣正壓數(shù)據(jù)的采集效果，采用平均偏離程度（ΔEx）和平均離散程度（Vx）作為評價指標，各指標的計算方式分別如公式（5）和公式（6）所示。

式中，yi和xi均表示數(shù)據(jù)，前者為傳感器獲取數(shù)據(jù)，后者為實際數(shù)據(jù)；n表示數(shù)據(jù)數(shù)量。2種指標的取值范圍在[0,1]之間，越接近0，表示數(shù)據(jù)采集效果越佳。

1.6 網路數(shù)據(jù)通信優(yōu)勢和效果

為衡量本系統(tǒng)的網路數(shù)據(jù)通信優(yōu)勢和效果，采用鏈路質量（GI）、路徑包投遞率（PR）作為評價指標，各指標的計算方式分別如公式（7）和公式（8）所示。

式中，psd表示路徑，其對應源節(jié)點s至節(jié)點d之間；packrt-loss(e)表示丟包率，對應網絡中每條鏈路。計算結果越高表示網路通信性能和效果越佳。

1.7 統(tǒng)計學分析

為了對空氣正壓異常監(jiān)測報警效果進行驗證，本文采用擇SPSS 20.0分析軟件進行空氣正壓異常監(jiān)測報警數(shù)據(jù)統(tǒng)計學分析，將visio 2010軟件作為繪圖軟件進行檢測結果數(shù)據(jù)展示。

2 結果

2.1 本系統(tǒng)對于空氣正壓異常監(jiān)測報警的應用性能

為測試本系統(tǒng)對空氣正壓異常監(jiān)測報警的應用性能效果，將河北醫(yī)科大學第三醫(yī)院的空氣正壓系統(tǒng)作為研究對象，采用本系統(tǒng)對該醫(yī)院僅使用空氣正壓系統(tǒng)的20個房間實行監(jiān)測，以獲取本系統(tǒng)的監(jiān)測報警結果。同時在醫(yī)院的急救中心、監(jiān)護中心選取60例呼吸類疾病患者，在醫(yī)院的空氣正壓系統(tǒng)設備上部署多傳感器，采集其運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)對于醫(yī)院空氣正壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效果如圖7所示，隨著采集房間數(shù)量的逐漸增加，本系統(tǒng)空氣正壓采集效果的平均偏離程度和平均離散程度2個指標的結果均在0.08以下，說明本系統(tǒng)的空氣正壓數(shù)據(jù)采集效果良好。

圖7 空氣正壓數(shù)據(jù)采集效果

2.2 本系統(tǒng)對于網路數(shù)據(jù)通信優(yōu)勢和效果分析

為衡量本系統(tǒng)的網路數(shù)據(jù)通信優(yōu)勢和效果，采用鏈路質量、路徑包投遞率作為評價指標，本系統(tǒng)在不同的網絡覆蓋面積下，指標的測試結果如圖8和圖9所示。由圖8可知，覆蓋半徑距離范圍在1～7 m內變化，匯聚節(jié)點距離在覆蓋半徑距離為4 m，本系統(tǒng)能將多傳感器采集的空氣正壓數(shù)據(jù)跳轉至匯聚節(jié)點，并且能夠找到跳數(shù)最少的路徑，由于跳數(shù)越少，越可保證數(shù)據(jù)的質量和完整性，表明選擇的通信鏈路質量較高。由圖9可知，當覆蓋面積為2 m2時，數(shù)據(jù)大小為10 MB下路徑包投遞率為99.62%，數(shù)據(jù)大小為50 MB下路徑包投遞率為99.50%，數(shù)據(jù)大小為100 MB下路徑包投遞率為99.56%；當覆蓋面積為6 m2時，數(shù)據(jù)大小為10 MB下路徑包投遞率為99.60%，數(shù)據(jù)大小為50 MB下路徑包投遞率為99.63%，數(shù)據(jù)大小為100 MB下路徑包投遞率為99.72%；此外，覆蓋面積的逐漸增加，不同大小數(shù)據(jù)的路徑包投遞率均在94%以上，說明本系統(tǒng)具備良好的數(shù)據(jù)通信性能，其可保證數(shù)據(jù)通信的安全性和完整性。

圖8 鏈路質量測試結果

圖9 路徑包投遞率測試結果

2.3 本系統(tǒng)對于醫(yī)院空氣正壓氣體的監(jiān)測效果分析

采用本系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)實行分析計算，獲取正壓氣體中氧氣的濃度的變化結果，并將獲取的結果與實際結果實行對比，衡量本系統(tǒng)的監(jiān)測性能，結果如圖10所示，房間數(shù)量為6時，氧氣濃度監(jiān)測結果為99.7%，氧氣濃度實際結果為99.7%。房間數(shù)量為10時，氧氣濃度監(jiān)測結果為99.8%，氧氣濃度實際結果為99.8%。分析上述曲線可知，本系統(tǒng)監(jiān)測的醫(yī)院空氣正壓氣體含氧量與實際值保持一致。

圖10 醫(yī)院空氣正壓氣體含氧量測試結果

2.4 本系統(tǒng)對于空氣正壓異常監(jiān)測效果

為衡量本系統(tǒng)對于空氣正壓異常監(jiān)測效果，當空氣正壓發(fā)生異常后，本系統(tǒng)對于異常監(jiān)測結果如圖11所示，本系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測醫(yī)院各個房間的空氣正壓系統(tǒng)供氧情況，可通過樓層切換查看不同樓層的空氣正壓系統(tǒng)的使用情況；同時各個樓層中各個房間的空氣正壓氣體使用情況，可通過點擊房間號實行查看，查看結果包含歷史監(jiān)測記錄、實時監(jiān)測結果以及報警情況，并且能夠顯示報警的異常類別。

圖11 醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警結果

3 討論與結論

本文設計基于多傳感器的醫(yī)院空氣正壓異常監(jiān)測報警系統(tǒng)，經測試，滿足醫(yī)院管理應用需求，能夠自動化、智能化完成空氣正壓氣體的全面監(jiān)測，并且獲取的空氣正壓數(shù)據(jù)的可靠性極佳，在保證數(shù)據(jù)安全、完成的情況下，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通信；同時可全面監(jiān)測空氣正壓的使用狀態(tài)，以及正壓氣體濃度的變化結果，實時掌控其使用的安全程度。房間數(shù)量為6時，氧氣濃度監(jiān)測結果為99.7%，氧氣濃度實際結果為99.7%。本系統(tǒng)能夠有效對醫(yī)院空氣正壓氣體含氧量進行監(jiān)測。覆蓋面積為8 m2時，數(shù)據(jù)大小為10 MB的路徑包投遞率為99.63%，數(shù)據(jù)大小為50 MB的路徑包投遞率為99.5%，數(shù)據(jù)大小為100 MB的路徑包投遞率為99.6%，表明本系統(tǒng)在對各個房間的空氣正壓氣體實行濃度監(jiān)測時，能夠獲取各個房間的氧氣含氧量結果，并且監(jiān)測結果與實際結果基本重合，表明本文方法的監(jiān)測準確度較高，說明本系統(tǒng)具備空氣正壓監(jiān)測功能，能夠智能完成氧氣的供應和使用情況，避免傳統(tǒng)通過人員逐一對房間實行監(jiān)測和記錄所耗費的較長時間，并且能夠更加準確計算房間中的氧氣濃度。設計系統(tǒng)能夠在有效對醫(yī)院空氣正壓氣體含氧量進行監(jiān)測，不同數(shù)據(jù)大小下路徑包投遞率都較為準確[8]。

本系統(tǒng)能將多傳感器采集的空氣正壓數(shù)據(jù)跳轉至匯聚節(jié)點，并且能夠找到跳數(shù)最少的路徑，由于跳數(shù)越少，越可保證數(shù)據(jù)的質量和完整性，表明選擇的通信鏈路質量較高；此外，覆蓋面積的逐漸增加，不同大小數(shù)據(jù)的路徑包投遞率均在0.94以上，說明本系統(tǒng)具備良好的數(shù)據(jù)通信性能，其可保證數(shù)據(jù)通信的安全性和完整性[12]。同時本系統(tǒng)能夠全面監(jiān)測醫(yī)院各個房間的空氣正壓系統(tǒng)供氧情況，可通過樓層切換查看不同樓層的空氣正壓系統(tǒng)的使用情況。說明本系統(tǒng)在醫(yī)院空氣正壓監(jiān)測報警方面具備良好的應用性，能夠滿足醫(yī)院管理的需求，全面監(jiān)測空氣正壓的使用情況。

整個結構中，網關的主要作用是實現(xiàn)多傳感器和通信網絡之間的連接，可將不同網絡進行連接，并保證在數(shù)據(jù)通信過程中[11]，可依據(jù)數(shù)據(jù)的類別或者結構完成數(shù)據(jù)交換，同時也可依據(jù)不同網絡協(xié)議完成協(xié)議轉換。并且在通信過程中，即使在發(fā)生移動的情況下，網關依據(jù)能夠保證良好的通信效果，實現(xiàn)互聯(lián)網和無線傳感網絡之間的數(shù)據(jù)交互，并完成數(shù)據(jù)存儲和備份。網絡中的基于路徑質量的無線傳感網絡路由協(xié)議能夠降低數(shù)據(jù)通信過程中的網絡能耗，同時通過路由確定最佳的通信路徑，保證數(shù)據(jù)通信的完整性、安全性。