曲怡蓉 劉 威 孫艷賓 唐 睿 于紅燕

山東藥品食品職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264210

全球的腎病患者數(shù)量龐大，依靠血液透析維持生命的患者越來越多，如何保證如此多患者的透析用水安全尤為重要[1]。

血液透析對透析用水的水質(zhì)要求較高，而用自來水為原料，經(jīng)過凈化流程生產(chǎn)的透析水中可能存在微生物、化學(xué)物質(zhì)、不溶性顆粒等污染物，這些污染物在血液透析過程中能夠通過反滲膜、輸水管道、儲(chǔ)水箱等進(jìn)入患者體內(nèi)。其中，細(xì)菌進(jìn)入患者體內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致毒血癥、發(fā)熱、低血壓，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致患者死亡[2]；化學(xué)雜質(zhì)對人體的危害也是非常大的，血液透析水中的殘余氯過多會(huì)引發(fā)慢性中毒癥狀，從而傷害人體的眼睛、呼吸道等部位；硝酸鹽等化學(xué)物質(zhì)的混入可能會(huì)引起患者缺氧中毒，輕者頭昏、心悸、嘔吐、口唇青紫，重者神志不清、抽搐、呼吸急促，搶救不及時(shí)可能危及生命[3]。

在傳統(tǒng)血液透析水處理系統(tǒng)中,常用的余氯測定方法有碘量法、N,N-二乙基對苯二胺分光光度法、聯(lián)鄰甲苯胺比色法等。但由于這些方法都需要手工操作，且測試儀器繁多、體積較大,不能實(shí)時(shí)在線、高精度測得血液透析水處理系統(tǒng)中水的余氯含量、pH 等數(shù)據(jù)，化學(xué)試劑還存在防護(hù)問題,可能對實(shí)驗(yàn)人員及患者的健康造成傷害[4]。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種在線血液透析用水水質(zhì)檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線、高精度監(jiān)測血液透析水處理系統(tǒng)中用水成分，保障患者用水質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是搭建網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)，設(shè)計(jì)血液透析水處理系統(tǒng)在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對血液透析用水的余氯、亞硝酸鹽、pH 等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。同時(shí)，通過網(wǎng)關(guān)模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測。工作人員能夠?qū)崟r(shí)了解系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，在整個(gè)制水過程中對水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測[5]。系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括濃水電導(dǎo)率、純水電導(dǎo)率、余氯、集水箱液面高度、原水壓力、純水壓力、管路溫度、pH等。通過現(xiàn)場的數(shù)采儀、水質(zhì)水壓表等在線感知設(shè)備，將其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)匯集到云計(jì)算服務(wù)器,并對海量的水質(zhì)信息進(jìn)行分析與處理，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的生產(chǎn)、管理和服務(wù)工作，從而提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)維成本，達(dá)到高效、智慧的狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)原理

將在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)安裝在血液透析水處理系統(tǒng)最末端，用以監(jiān)測血液透析用水的pH、電導(dǎo)率、余氯、壓力等數(shù)據(jù)。通過該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)的在線高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并自動(dòng)將檢測數(shù)據(jù)、過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)脚涮自破脚_(tái)儲(chǔ)存，工作人員可通過電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端訪問云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水處理設(shè)備的運(yùn)行信息、操作信息、報(bào)警信息以及歷史數(shù)據(jù)，工作人員根據(jù)得到的信息進(jìn)行下一步操作。

3 具體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的在線血液透析用水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)是由血液透析水處理系統(tǒng)、在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)、智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)組成。

3.1 血液透析水處理系統(tǒng)

血液透析水處理系統(tǒng)由儲(chǔ)水罐、多級過濾器、多級泵構(gòu)成，如圖1 所示。儲(chǔ)水罐用于集中儲(chǔ)存血液透析用水，保障用水量；多級過濾器用于過濾不同級別粒徑的雜質(zhì)，包括待檢測的余氯、亞硝酸鹽等有害物質(zhì)；多級泵用于保障用水壓力，控制水流和水量。

圖1 血液透析水處理系統(tǒng)

3.2 在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)

在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)安裝各類傳感器，用于檢測過濾后血液透析用水的水質(zhì)情況。其安裝位置位于血液透析水處理系統(tǒng)后。

在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)由水質(zhì)檢測傳感器與配套變徑三通接頭組成，水質(zhì)檢測傳感器與配套變徑三通接頭通過螺紋方式配合，其中配套變徑三通接頭為特殊設(shè)計(jì)，上接口螺紋口徑對應(yīng)本設(shè)計(jì)配套傳感器接頭的螺紋尺寸，如圖2 所示。水質(zhì)檢測傳感器可根據(jù)需求變換不同類型傳感器，包括pH 傳感器、電導(dǎo)率傳感器、余氯傳感器等。配套變徑三通接頭接入管道后，其上接口與水平地面的設(shè)計(jì)角度為60°，如圖3 所示，此設(shè)計(jì)角度可方便工作人員安裝、更換傳感器。

圖2 在線水質(zhì)檢測系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)安裝角度示意

3.3 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)通過水質(zhì)檢測傳感器檢測pH、余氯等水質(zhì)參數(shù)，通過智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)經(jīng)由通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)與基站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)上，相關(guān)工作人員可通過電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端在線查看水質(zhì)數(shù)據(jù)（圖4）。該在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度快，智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)安全可靠，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間在線監(jiān)測。

圖4 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)

3.4 智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能，水質(zhì)檢測傳感器檢測到的模擬信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后，由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)調(diào)制模塊調(diào)制放大后，經(jīng)串口模塊傳輸?shù)絊TM 32 單片機(jī)，串口模塊能夠同時(shí)接收多個(gè)485 通信的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多信號(hào)傳輸、采集，再由頻帶模塊調(diào)制后經(jīng)基站傳輸至云平臺(tái)。

4 使用方法

將血液透析用水水質(zhì)檢測系統(tǒng)安裝在傳統(tǒng)血液透析水處理系統(tǒng)末端，通過AD 485 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并與STM 32 進(jìn)行通信，通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）連接到監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)通過智能網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)存入云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫。工作人員通過網(wǎng)頁端或手機(jī)端訪問云平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控水處理設(shè)備的運(yùn)行信息、操作信息、報(bào)警信息以及歷史數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行下一步操作。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)涉及的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可安裝在傳統(tǒng)血液透析水處理系統(tǒng)末端，可實(shí)現(xiàn)對血液透析水處理系統(tǒng)處理后的血液透析用水的高精度監(jiān)測功能。

（2）本系統(tǒng)涉及智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)及制作，濾波器和調(diào)制模塊的選取，以及STM 32 單片機(jī)的程序開發(fā)。

（3）本系統(tǒng)的水質(zhì)檢測傳感器與配套變徑三通接頭通過螺紋方式配合。其中，配套變徑三通接頭為特殊設(shè)計(jì)，上接口的螺紋口徑對應(yīng)本系統(tǒng)配套的各類傳感器接頭的螺紋尺寸，可根據(jù)檢測需求，隨時(shí)拆卸更換所需傳感器。此外，配套變徑三通接頭的上接口與水平地面的設(shè)計(jì)角度為60°，此設(shè)計(jì)角度可方便工作人員安裝、更換傳感器。因此，本系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)更換傳感器，拆卸簡便，節(jié)省空間等效果。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的在線血液透析用水水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合了最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、傳感器、自動(dòng)控制等技術(shù)，可以在電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端實(shí)時(shí)顯示聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)通過大數(shù)據(jù)分析，對水處理設(shè)備的橫向數(shù)據(jù)（不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)）與縱向數(shù)據(jù)（單一設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，解決血液透析中心在水處理過程中存在的能耗、成本、安全、設(shè)備管理、勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面的問題,為設(shè)備運(yùn)維、售后服務(wù)、設(shè)備升級、故障告警、故障排查等方面提供強(qiáng)有力的支持。