一种手术方舱分区采集控制温湿度的系统设计

0 引 言

手术方舱具有快速机动性、功能多样性等特点，被广泛应用于军队作战、应急救援、卫勤保障、安全消防等方面。手术方舱特种车可以快速抵达伤病员位置，及时开展普外科、泌尿外科、肝胆胰外科、骨科、胸外科胸腔引流等早期紧急手术治疗，为黄金救援期内展开救护争取宝贵时间。

手术方舱内的手术环境温湿度对手术的成功率具有至关重要的作用，手术室温湿度必须控制在一定范围内 ：温度在22 ～ 25 ℃ ；相对湿度为 45% ～ 60%RH。因为气候、昼夜、季节、地点的不同，手术方舱的环境温湿度具有较大差异，手术方舱内的温湿度控制必须具有更好的实时性和控制性。

本文采用 Microchip 16 bit 单片机 PIC24FJ64GA002，基于无线 RS 485 总线设计了一款用于手术方舱的温湿度控制系统，其主要特点是稳定可靠、通信实时、操作简单。

1 系统构建

车载设备必须具备良好的抗干扰能力才能确保设备的稳定性。本系统采用 485 数据总线实现数据传输，保证通信稳定可靠传输。手术方舱的温湿度控制要求重点区域突出管理、数据精准度高、控制反应灵敏，以确保手术方舱的温湿度维持在合理范围。

本系统设计时充分考虑了温湿度的高精度采集与实时控制，将方舱划分为4个区域，分别为1#药品储存区、2#检查区、3# 手术区、4# 办公区，实行区域独立采集，综合控制。

本系统主要由主控单元、温湿度采集单元、触摸液晶显示器组成 ；主控单元主要实现温湿度参数设置、温湿度数据分析处理 ；显示屏负责触摸按键、界面显示、报警提示 ；温湿度采集单元由温度传感器、湿度传感器及通信单元组成，实现温湿度采集和数据上传。

主控单元主要负责通过无线 RS 485 总线实时采集温湿度数据，并进行区域温湿度分析，利用 RS 232 串行接口向液晶屏发送温湿度信息 ；主控单元在超温或超湿情况下向液晶屏发出报警信号，并向车载温湿度控制设备发出控制指令，实现温湿度控制 ；此外，主控单元还可实时接收触摸显示屏的按键信号，实现系统参数的设置。液晶显示屏负责显示区域温湿度、报警指示和参数设置人机界面。温湿度采集单元主要实现区域温湿度的采集，并通过无线 RS 485 总线将数上传到主控单元，结构如图 1 所示。

2 硬件设计

2.1 温湿度传感器

本系统采用 SA-HT1 壁挂式温湿度变送器实现温湿度的采集。系统采用瑞士 SENSIRION 温湿度传感器，该传感器具有长期稳定性好、全量程温度补偿、传感器工作温度范围宽（-40 ～ 100 ℃）等优点。湿度量程为 0 ～ 100%RH，具有低漂移、响应速度快、安装方便、性能稳定、抗干扰能力强、宽电压供电、非线性修正、精度高、接线反向和过压保护、限流保护适用现场、拥有 RS 485 通信接口等优点。

2.2 主控电路

本系统将 Microchip 16 位单片机 PIC24FJ64GA002 作为主芯片，其具有改进的哈佛架构，最高运行速度达 16 MIPS，具有 17×17 位单周期硬件乘法器，32 位 /16 位硬件除法器 ；具有丰富的外设端口，如 8 位并口，SPI，UART，外部中断，PWM 输出等。该系统中，利用主芯片的 2 个串口分别与显示屏、温湿度进行数据通信，实现温湿度显示、报警和温湿度数据采集功能 ；将 8 个 I/O 管脚作为温湿度控制设备的控制信号，分别控制 4 个区域的温湿度，电路如图 2所示。

2.3 主控板供电电路

系统采用 12 V 外部供电，经 AMS1117-3.3 直流电压转换芯片，输出 3.3 V 电压为主控板核心电路、串口电路供电，电路如图 3 所示。

2.4 无线 RS 485 通信电路

HD-M805 是高速率低功耗高性能无线模块（以下统称模块），模块设计采用高效 ISM 频段射频 LoRa 扩频芯片，提供了多个频道可选择。模块可在线修改串口速率、发射功率、射频速率等参数。HD-M805 模块能够透明传输数据，且模块体积小，支持宽电压运行 ；传输距离远，可提供丰富便捷的软件编程设置功能，应用领域广泛。无线 RS 485 通信模块如图 4 所示。

2.5 触摸液晶显示器

DC80480F050_1011_0T 是一款 5.0 寸分辨率为 800×480的 F 系列电阻触摸组态串口屏，工作电压为 5 ～ 15 V，具有串口 TTL232 通信接口，采用 32 位处理器，支持 JPEG 图片压缩、MP3 音频，存储容量为 64 Mbit，支持 JPEG，PNG（半 透 / 全透）压缩，支持任意大小图片存储，拥有按钮、文本、下拉菜单、进度条、滑块、仪表、动画、二维码、曲线、数据记录、圆形进度条等组态控件，遵循工业级标准（ESD 接 触 4 kV、空气 8 kV、医疗 EMI 辐射 CLASS B 等级）。触摸液晶显示器如图 5 所示。

3 软件设计

当系统上电时，首先进行系统自检，通过串口分别向显示屏、温湿度传感器发送数据，根据返回的数据判断各部件工作是否正常。若自检未通过，则向显示屏发送自检错误信息，显示屏显示相应的提示信息 ；若通过自检，则对 4 个区域的温湿度进行巡检，并判断温湿度是否正常，如果超过阈值，则向温湿度设备发送相应的电平控制信号，并向显示屏发送报警指令，显示屏发出提示音，显示预置画面。软件系统实时接收触摸屏的触摸按键信号，完成温湿度阈值参数的设置。软件流程如图 6 所示。

为实现对重点区域进行重点监护，采用温湿度区域化管理方案对 4 个区域的温湿度进行阈值设置，初始默认设置见表 1 所列。

4 结 语

本系统通过对方舱内的温湿度进行分区采集与控制，确保温湿度满足手术的环境要求，实现了重点区域温度的精准控制，提高了患者的舒适度，方便医生更好发挥技术水平，减少细菌滋长，降低手术并发症，大大提高手术的成功率。