基于ARM嵌入式的醫院空氣質量實時檢測系統設計與研究

郭堂偉, 周 涵, 俞 嘯， 陽 媛

(1.宿遷市第一人民醫院 信息處，江蘇 宿遷 223800；2.徐州醫科大學 醫學信息與工程學院，江蘇 徐州 221000；3.東南大學 儀器科學與工程學院，南京 210018)

0 引言

醫療水平的快速發展使得人們對醫院空氣質量提出了更高的要求[1]。良好的空氣質量是安全就醫的前提條件，因此，如何有效進行醫院空氣質量實時檢測是當前空氣質量檢測面臨的主要問題。

對于醫院空氣質量監測的研究，已有許多學者開展了相關研究工作，相繼提出了檢測標準、檢測方法和檢測工具。首先，就檢測標準來說，國際檢測標準為“GREEN GUIDE for Health Care”[2]，而國內醫院空氣質量檢測需要參考《室內空氣質量標準》GB/T 18882-2002標準[3]。其次，在檢測方法方面，傳統的醫院空氣質量檢測依靠醫院職工定期進行檢測，存在檢驗時間過長、檢測結果不準確、缺少時效性等問題。最后，傳統的檢測工具多為便攜式移動設備[4]，而檢測結果與人員流動密切相關，相關檢測參數隨著密度、濃度不同發生變化，因此傳統的檢測工具存在檢測誤差較大問題。

考慮到當前醫院空氣質量檢測需求，本文設計并研發了一種基于ARM(advanced RISC machine)和Lora(long range radio)的醫院空氣質量實時檢測系統。該系統最根本的目的是通過對醫院室內空氣質量的實時檢測，降低醫院相關病例的感染率和發病率，并根據檢測出的不同空氣污染程度，合理安排消毒滅菌計劃，加強消毒管理和醫院環境質量控制。同時，該系統通過Lora無線通信技術實時地將檢測結果上傳至上位機，使醫務人員能夠及時地了解醫院室內各區域的空氣質量情況。總的來說，本文提出的空氣質量實時檢測系統相較于傳統的空氣質量檢測方式，大大減少了人力、物力的消耗，能夠有效提高醫護人員預防和控制醫院感染的認知，減少了因空氣污染導致的二次感染、交叉感染情況的出現，確保了醫院消毒工作的系統化、規范化、合理化。

1 系統整體設計方案

1.1 系統設計相關參數要求

醫院空氣質量檢測包含兩步，第一步將所采集的指標與其標準范圍進行對比判斷；第二步得出檢測結論。溫濕度、一氧化碳和二氧化碳等空氣質量檢測參數存在一定范圍。具體范圍如表1所示。

表1 相關檢測參數范圍

1.2 系統設計目標分析

為滿足基于ARM和Lora的醫院空氣質量實時檢測系統的軟硬件測試需求，系統設計需實現以下幾點目標：

1)實時性：當前多數空氣質量檢測系統存在實時性差、報錯率高等問題。因此，在系統設計過程中，應充分考慮實時性，保證醫務人員快速了解空氣質量情況，并對污染區域及時進行消毒，避免出現二次感染、交叉感染現象。

2)高靈敏度、高精度：傳統檢測設備無法準確檢測醫院空氣中的每種病菌和污染物，檢測結果具有不準確性，因此，需要提高檢測設備的靈敏度和精度。在系統設計開發時，針對不同參數配置不同的傳感器，如DTH11傳感器、MQ-7傳感器、CCS811傳感器以及SDS011傳感器，分別對不同目標參數進行采集，并在有限時間內報告空氣質量情況，保證檢測結果的準確性與時效性。

3)模塊化：系統設計采用分層化與模塊化思想，不同的模塊功能不同，各模塊獨立運行的同時按照流程整合檢測結果。模塊化設計可以保障醫院空氣質量實時檢測系統的高效性。

1.3 系統實現功能分析

為充分利用現有資源，減少系統測試、設備測試過程中各種人力物力的消耗，系統設計需實現以下功能：

1)系統中各功能模塊能夠獨立運行，某一模塊出現故障時，自動報錯，剩余模塊不受影響。

2)能夠滿足醫院室內不同環境和區域的測試需求，實現對空氣質量的實時檢測功能。

3)自動生成空氣質量檢測報告。

1.4 系統模塊化設計

為滿足醫院室內空氣質量檢測需求，進一步解決因空氣污染導致的二次感染和交叉感染的問題，本文采用模塊化和層次化設計思想，開發了一種基于ARM和Lora的醫院空氣質量實時檢測系統，該系統共分為3個模塊，包括主控模塊、采集模塊和通信模塊。本節將具體闡述這3個模塊的功能作用。

圖1 系統設計思路

1)主控模塊：該模塊負責處理并顯示傳感器傳輸的數據，提供終端控制與傳感器控制功能。傳感器節點主控實現不同傳感器模塊的協議并采集傳感器數據，然后通過無線通信模塊發送到系統終端主控。

2)采集模塊：該模塊中包含4個子模塊，分別是溫濕度采集模塊、CO濃度采集模塊、CO2濃度采集模塊和顆粒物濃度采集模塊，每個模塊在不同的供電電壓和引腳下利用內置的傳感器對目標參數進行采集，采集結果與相關標準進行對比，作為空氣質量評判的依據。

3)通信模塊：該模塊采用Lora無線通信標準，在資源能耗低的前提下，負責遠距離無線信號的傳輸。

2 系統硬件設計

醫院空氣質量實時檢測系統由主控模塊、采集模塊和通信模塊三部分組成。主控模塊主要負責控制終端與傳感器；采集模塊負責收集系統所需參數；通信模塊負責信息傳輸和顯示。總體系統硬件架構如圖2所示。

圖2 總體硬件架構

2.1 主控模塊

主控模塊的硬件構成有上位機和下位機。上位機以ARM為處理器架構，具體型號為IMX6UL，主要負責處理傳感器數據并將數據實時顯示。下位機是一個基于STM32、型號為STM32F103VET6的單片機，主要負責傳感器驅動初始化并采集傳感器的原始數據。

IMX6UL芯片是上位機的核心處理器，它采用Cortex-A7作為CPU核心，主頻最高528 MHz，相比Cortex-M系列核心性能更強，而且相較于同系列的Cortex-A9核心在同性能的情況下功耗更低[5]。芯片支持DDR2和DDR3兩種內存，并且支持Linux系統，擴展性能強大。STM32F103VET6芯片是下位機的核心處理器，相比傳統單片機的8位CPU，Cortex-M3內核擁有更好的性能，更加豐富的外設接口，例如SPI、I2C、CAN等接口，引出的GPIO數量更多，資源更豐富。

2.2 采集模塊

采集模塊包括溫濕度信號采集子模塊、CO濃度采集子模塊、二氧化碳濃度采集子模塊和顆粒物濃度采集子模塊。

溫濕度信號子模塊的硬件主要由DTH11溫濕度傳感器構成。該傳感器包括電阻感濕元件、NTC測溫電阻和8位的MCU(micro control unit)。電阻感濕元件由金屬氧化物或者半導體所制成，電阻值在吸濕和脫濕過程中發生變化，電流在電壓一定情況下，能夠隨阻值變化而變化[6]。NTC測溫元件由多種金屬氧化物燒結組成，可以根據電流的變化來確定溫度的變化。

CO濃度采集子模塊由MQ-7傳感器構成，該傳感器的主要元件包括由二氧化錫所制成的薄膜電阻和負責加熱薄膜電阻的加熱線圈。當CO經過由活性炭或者其他多孔吸附材料后到達被加熱線圈加熱的二氧化錫薄膜電阻，二氧化錫催化CO分解，同時自己的阻值也因為分解后的產物而發生改變。

二氧化碳濃度采集子模塊依賴由金屬氧化物燒結而成的微型氣敏元件。該元件采用3.3 V供電，使用I2C通信協議作為通信接口，CO2經過通電的金屬氧化物溝槽和加熱器線圈時，導電率和阻值會發生變化，借助阻值的變化，根據氣體濃度與阻值變化曲線圖就能夠得出此時的檢測氣體濃度。

顆粒物濃度采集子模塊選擇SDS011為傳感器，該傳感器包括TXD、RXD、GND、VCC和PWM引腳。TXD和RXD分別為串口的發送和接收引腳；GND和VCC為傳感器的電源接口；PWM引腳主要輸出以PWM形式所表示的顆粒物濃度。顆粒物濃度采集子模塊通過傳感器自帶的渦輪風扇將周圍空氣吸入至激光散射區，MCU根據散射波長的不同進行分類統計，最后將結果以串口和PWM信號輸出。

2.3 通信模塊

醫院空氣質量檢測系統把Lora無線通信技術作為通信模塊協議內容。Lora最大的優點是在低功耗的前提下做到遠距離無線信號傳輸，相比傳統的無線通信在同樣功耗下傳輸距離提高了3～6倍。Lora支持點對點通信和集中器組網通信協議[7-8]。Lora配置參數主要有：串口波特率、校驗位、數據位、停止位、速率等級、信道和目標地址，常用命令如表2所示。

表2 配置Lora常用AT指令

3 系統軟件設計

醫院空氣質量實時檢測系統的軟件系統包括軟件環境和模塊設計軟件兩部分。接下來，將具體描述這兩部分的軟件設計內容。

3.1 軟件環境

基于嵌入式的醫院空氣質量實時檢測系統具體的軟件開發所使用的環境有：在Windows環境下的Keil5和在Ubuntu環境下的VSCode(Visual Studio Code)。上位機采用IMX6UL芯片以及開發板采用Linux作為操作系統，具有良好的人機交互界面。Linux是一種基于文件的操作系統，包括設備驅動、系統工具、網絡協議等，即醫院空氣質量檢測系統利用Linux對相關設備文件進行讀寫操作，同時利用樹概念，將設備文件信息都存在一個以dts結尾的文件中，只需要更改設備樹文件信息即可添加新的設備信息，為檢測人員提供便捷的文件編寫功能，有效降低操作復雜性。

3.2 模塊設計軟件

此部分主要包括STM32初始化、串口初始化與運行兩部分，負責數據的采集、傳輸和顯示。

3.2.1 STM32初始化

STM32F103芯片是整個系統的運行核心，必須在主程序運行之前對其進行初始化設置。初始化設置操作主要包括ADC初始、時鐘初始設置、能嵌套的中斷優先級別設置、定時結束器TIM2配置、多個串口配置、GPIO引腳配置、DMA初始化、USART配置、I2C接口初始化等。具體STM32初始化流程如圖3所示。

圖3 STM32初始化流程

3.2.2 串口初始化與運行

醫院空氣質量檢測系統設計的無線通信模塊需要自主配置后才能使用，具體配置內容需要自定義AT指令。具體配置調試過程為：首先安裝CH340G芯片，連接模塊；然后打開串口調試助手，使用HEX發送“+++”進入配置模式，OK表示設置成功；最后全部設置完成后使用AT+ENTM指令推出設置模式，并重啟模塊[9-10]。

另外，下位機只負責數據的采集，不需要負責數據顯示部分，因此下位機在程序設計時采用無操作系統結構，按照程序順序執行，存在數據采集缺失情況。為解決這個問題，醫院空氣質量檢測系統在主程序中添加一個數據結構體模塊。其中，每個傳感器對應的數據都有一個數據標志位，當數據標志位全部被標記為數據已經寫入時，使用串口將數據發送至串口無線通信模塊。

4 實驗結果與分析

在系統設計完成之后，本文還對系統進行了整體測試。系統測試是將已經確認的軟件、硬件、外圍設備、網絡等其他元素結合在一起，在實際運行環境下對計算機系統進行的一系列嚴格有效的測試，以發現系統潛在的問題，從而保證系統的正常運行。針對本系統的測試內容主要包括模塊性能測試，即采集模塊性能測試和Lora無線通信模塊測試。

4.1 采集模塊性能測試

本節具體測試內容是測試傳感器能否正常工作，工作時讀取代碼是否穩定，得到的結果與現實數據是否在正常誤差范圍內。圖4～圖7是對溫濕度傳感器、一氧化碳濃度傳感器、二氧化碳濃度傳感器和顆粒物濃度傳感器的詳細測試。

圖4 溫濕度傳感器數據結果

圖5 CO濃度傳感器數據結果

圖6 CO2濃度傳感器數據結果

圖7 顆粒物濃度傳感器數據結果

4.2 Lora無線通信模塊測試

醫院空氣質量實時檢測系統的數據采集節點只有一個，因此Lora的通信方式選擇使用點對點通信方式。在測試該模塊的性能時，首先將兩個USB To TTL轉接器與TX進行連接；然后打開兩個串口調試助手，分別選擇不同的串口；最后在一個調試助手的發送區輸入發送“XZMU”。另一個串口調試助手接收到所發送的字符串為測試結果，如圖8所示。

圖8 Lora無線通信模塊數據傳輸測試結果

5 結束語

隨著醫療水平的不斷提高以及國民經濟的快速發展，環境檢測技術得到了大力推動，醫院空氣質量檢測成為環境檢測領域中的一個重要分支。針對傳統醫院空氣質量檢測方法存在檢測方法單一、檢測精度較低的問題，本文設計了一種醫院空氣質量實時檢測系統，該系統能夠將人工智能技術與環境檢測技術有機結合起來，按照層次化和模塊化設計思路開展研究，首先利用高性能ARM處理器進行數據采集；然后選擇開放式軟件架構使系統具有可擴展性，易于維護修改；最后采用Lora無線通信技術節約系統安裝費用。系統實驗測試結果表明，醫院空氣質量實時檢測系統不但能夠保證醫院空氣質量檢測的有效性和精準度，而且使用自動化設備代替部分檢測人員，能夠實現醫療機構內部人員靈活調動，大大節省了檢測成本；另一方面，能夠為醫院制定不同區域的消毒工作提供更加精準的數據支持，具有一定的實用性。此外，在今后的研究過程中，還將對該空氣質量檢測系統進行更加深入的研究，將會進一步根據實際情況來添加閾值預警模塊，確保該系統能夠最大限度地發揮檢測與預警效用。