基于遠程數據透明傳輸的醫院用呼吸機巡查監測系統

盧瑞祥(通信作者)，王文丹，張曉慶

深圳市計量質量檢測研究院 (廣東深圳 518055)

根據WS/T655-2019《呼吸機安全管理》標準的要求，為確保醫院用呼吸機的安全性和可靠性，應定期對呼吸機進行監測和巡查。在新型冠狀病毒肺炎疫情的特殊背景下，為降低醫護人員的感染率，通過必要的技術手段實現呼吸機工作狀態監測和巡查的遠程隔室操作，具有一定的迫切性和必要性。

與在家庭中使用的用于治療睡眠暫停綜合征患者的CPAP家用呼吸機不同，醫院用呼吸機本身往往不具有工作狀態的遠程監測功能。近年來，國內有些企業和研究機構開發了基于RS232接口數據采集傳輸的醫院用呼吸機工作狀態在線監測系統[1-6]，基本實現了對某些品牌呼吸機工作狀態參數(如潮氣量、氣道壓力等)的數據采集和集中監控。但由于這些系統基本上采用基于有線以太網的服務器實現數據的匯總和中央監控，結構布局往往因場地而固化，難以實現移動布局和移動巡查，在方艙醫院等特殊防疫場合及野外的安裝和使用受到一定的限制。本研究研制了一種基于無線物聯網遠程數據透明傳輸的呼吸機現場數據采集模塊，通過公共移動通信網實現數據的遠程實時透明傳輸，并設計了一種基于Android系統的呼吸機監測移動終端，可實現在方艙醫院和野外等特殊場合對醫院用呼吸機的工作狀態和運行參數進行實時在線監測和移動巡查。

1 硬件與網絡結構

醫院用呼吸機工作狀態和運行參數的遠程數據可利用呼吸機的外部數字通信接口(例如RS232接口)，通過數字網關實現其與遠程監測終端之間的透明數據傳輸。本研究系統主要由基于NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)的醫院用呼吸機現場數據采集模塊和數據監測移動終端兩部分構成。

呼吸機數據采集模塊以NB-IoT DTU(Data Transfer UNIT)為基礎，經服務器配置后實現與呼吸機的數據接口(一般為RS232/RS485等串口，部分產品采用以太網接口)進行通信，獲取呼吸機工作狀態與運行參數等數據。監測用戶端采用了配有4G/LTE通信模組的Android移動終端，通過公共互聯網與現場數據采集模塊建立通信鏈接，接收下位機發送呼吸機實時數據，并可通過指令集實現對呼吸機的遠程控制。

1.1遠程網絡方案

由于呼吸機移動巡查監測系統應用于非固定場所的需求，并考慮到部署以太網的復雜性和WIFI網絡的局限性，本研究的整體網絡架構采用物聯網技術方案。NB-IoT即“窄帶物聯網”，是一種部署于GSM網絡或LTE網絡上的低頻段、低速率網絡，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接。NB-IoT具有海量連接、深度覆蓋、穩定可靠、綜合成本低等優勢。NB-IoT發射功率的覆蓋增益比GSM、LTE等高約20 dB，能夠覆蓋到地下室等常規蜂窩移動通信技術難以覆蓋的區域，在野外場合部署具有較好的可靠性。NB-IoT繼承4G網絡安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，可保護用戶的數據安全。在網絡系統魯棒性和穩定性方面，NB-IoT直接部署于GSM/LTE網絡，充分利用現有網絡基站實現平滑升級，同時其使用單獨180 KHz頻段，不占用現有GSM/LTE網絡的帶寬，保證物聯網數據傳輸的穩定、可靠。

呼吸機工作狀態和運行參數的實時監測數據，包括呼吸機設備信息、報警數據和潮氣量、氣道壓力等實時狀態數據，整體數據量較小，對傳輸帶寬的要求較低，采用NB-IoT低速率網絡技術即可滿足系統的傳輸要求。圖1為本研究設計系統的網絡結構，多臺呼吸機的通信接口分別通過NB-IoT DTU與NB-IoT移動互聯網相連，并進一步連接至Android移動終端。

圖1 系統網絡結構示意圖

1.2呼吸機數據采集與通信模塊

近年來，隨著電子信息技術的發展，呼吸機作為典型的機電設備，也采用了大量的數字技術，其主控系統多采用計算機平臺，絕大多數本身即具有外部數據通信接口。由于呼吸機的外部數據接口一般采用RS232等通用數字接口，系統在呼吸機數據采集端采用NB-IoT DTU等具有數據采集/傳輸功能的通用數據終端，通過NB-IoT DTU的數據透明傳輸功能，實現呼吸機運行狀態參數的采集和傳輸。

NB-IoT DTU模塊往往采用工業級32位CPU和嵌入式操作系統，集成基于4G/LTE移動蜂窩通信的無線數據傳輸模塊，并具有RS232/RS485 UART串行通信接口，該模塊通過實現TCP Client或UDP Client功能支持TCP/IP協議傳輸并實現了UART與TCP/IP的數據通信協議轉換，可實現基于NB-IoT網絡的串口通信與4G/LTE雙向數據透明傳輸功能，其內部結構如圖2所示。

圖2 NB-IoT DTU內部結構圖

基于該模塊，對于采用RS232外部數據接口的呼吸機設備，可以直接將NB-IoT DTU與呼吸機通信口直連，在相應的通信協議支持下即可實現呼吸機工狀態的實時數據采集。對于采用RJ45以太網接口的呼吸機，同樣可以采用支持以太網數據透明傳輸的NB-IoT DTU模塊作為物聯網數字網關，但上層傳輸協議需要進行相應的調整。

1.3呼吸機外部數據接口與協議

目前，國外主要呼吸機制造商，例如Drager Medical，已經公開了其呼吸機設備外部數據通信接口的技術規范，為醫院用呼吸機設備工作狀態數據的外部采集和傳輸提供了便利的通用方法。國內主要醫院用呼吸機生產企業，如邁瑞，也研發了相應的私有通信協議，如支持RS232接口的MR-WATO協議和支持以太網接口的MD2協議、MAQ協議等。

Drager呼吸機的外部數據通信協議——MEDIBUS協議是一種基于RS232 UART的串行數據總線協議，其指令集主要包括命令指令(COMMAND CODE)、命令相應(COMMAND RESPONSE)兩部分，分別用于對外部通信設備(如本研究所述NB-IoT DTU)發送指令或接收外部控制命令。

MEDIBUS協議可在同一通信端口同時支持慢數據流(監測數據)和實時數據流(波形數據)兩種數據的傳輸，分別用于傳輸設備狀態參數等非實時數據和潮氣量、呼吸頻率、峰值氣道壓力等設備實時數據。圖3為MEDIBUS協議中傳輸氣道壓力等實時數據的命令格式。在協議中，兩種不同的數據流通過實時數據標志位(數據字節的第7位)加以區分。

圖3 MDEIBUS協議中傳輸實時數據的命令格式

基于MEDIBUS協議，Drager呼吸機與外部設備之間可建立穩定的通信鏈路。呼吸機與外部設備的通信過程分為建立鏈路、數據通信及監聽、終止鏈路3個階段。

建立鏈路階段，外部設備向呼吸機發送身份驗證指令，呼吸機通過驗證后啟動設備連接狀態。為確保數據通信的可靠性，MEDIBUS協議要求持續監聽通信過程中的鏈路狀態，在數據收發過程中，呼吸機對接收數據進行校驗碼驗證，若校驗碼錯誤則等待重發正確指令。在實時數據流傳輸過程中，若在3 s內呼吸機未收到正確指令，則會進入傳輸錯誤/超時狀態，外部設備需發送身份驗證指令重新建立通信鏈路。

2 軟件與協議實現

2.1應用端軟件平臺

本研究采用基于Android的移動終端作為呼吸機工作狀態與運行參數等數據監測和顯示設備，系統的軟件平臺為基于Android環境下的應用程序。該應用程序基于Java語言開發，主要功能模塊包括通信模塊、數據采集處理及顯示模塊，設備管理模塊等。

通信軟件模塊首先通過基于Socket的TCP/IP協議建立與數據采集端NB-IoT DTU模塊的數據鏈接，并通過DTU對呼吸機的通信接口參數(如波特率、奇偶校驗位、停止位等)進行配置，建立與呼吸機設備外部接口的通信鏈接，進而實現移動終端APP與呼吸機之間的數據透明傳輸。

數據采集處理及顯示模塊主要把由呼吸機獲取的設備信息、設備設置參數、報警參數和實時工作狀態數據進行顯示和記錄，其中潮氣量、呼吸頻率、分鐘呼氣量、峰值氣道壓力、平均氣道壓力等實時數據，需通過圖形界面動態顯示。

為實現院內多個呼吸機的設備統一管理和集中監測，軟件系統中開發了設備管理模塊，建立一個基于SQLite的呼吸機設備管理小型數據庫，記錄各呼吸機的設備編號、型號、安裝位置、外部通信接口參數等信息。該軟件模塊可實現呼吸機設備管理記錄的新建、編輯修改、刪除、顯示、存儲等簡單的數據庫操作功能。

2.2呼吸機通信協議轉換

Drager呼吸機采用MEDIBUS協議實質上是一個基于RS232的指令集，為實現呼吸機與基于Android的移動終端之間的數據傳輸，需通過軟件完成MDEIBUS協議與TCP/IP協議之間的轉換。

MDEIBUS協議作為一種UART協議，僅規定了數據鏈路層的規范，而TCP/IP協議主要涉及網絡層和傳輸層，兩者無法直接建立通信鏈路。考慮到MDEIBUS串口協議本身不具有網絡層和傳輸層，在實現協議間轉換時，需用TCP/IP封裝傳輸的方式將串口的數據作為TCP/IP的應用層數據。

TCP/IP的工作模式主要分為TCP服務端模式(TCP Server)、TCP客戶端模式(TCP Client)、UDP模式。UDP模式接近于串口協議的數據透明傳輸模式，但傳輸數據量較大時可能有漏幀情況。TCP模式可以建立可靠的數據傳輸鏈路，由于Client/ Server在傳輸數據的過程中需要有連接、關閉、監聽等步驟，需要NB-IoT DTU模塊進行中轉。系統設計中以NB-IoT DTU模塊端為TCP Client，數據監測移動終端為TCP Server，以實現對多個呼吸機設備的集中數據采集和監測。

2.3Socket網絡編程

Socket(套接字)是基于TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元，是網絡通信鏈的句柄，Android系統的應用程序APP可以通過Socket向網絡發出請求或者應答網絡請求。socket包含了進行數據通信的5種基本信息，即連接所使用的協議、本地IP地址、本地進程的協議端口、遠端IP地址及遠端進程的協議端口。Socket是一種抽象層，應用程序通過Socket來發送和接收數據，使用Socket可以將應用程序添加到網絡中，與處于同一網絡中的其他應用程序進行通信。簡單來說，Socket提供了程序內部與外界通信的端口并為通信雙方的提供了數據傳輸通道。

Android系統的底層是基于Linux架構，在其核心庫的Java包中，集成了基于TCP/IP協議的Socket Class和ServerSocket Class。

基于socket的通信模型和數據傳輸流程如圖4所示。Android移動終端的socket server服務器端先聲明一個ServerSocket對象并且指定端口號，然后調用Serversocket的accept()方法接收客戶端的數據。accept()方法在沒有數據進行接收的處于堵塞狀態。[Socketsocket=serversocket.accept()],一旦接收到數據，通過inputstream讀取接收的數據。

圖4 Socket通信模型

NB-IoT DTU的TCP客戶端創建一個Socket對象，指定服務器端的IP地址和端口號[Socketsocket = newSocket(“IP地址”,#端口號)],通過inputstream讀取數據，獲取服務器發出的數據[OutputStreamoutputstream=socket.getOutputStream()]，最后將要發送的數據寫入到outputstream即可進行TCP協議的socket數據傳輸。本研究采用NB-IoT DTU模塊的嵌入式OS采用與上述過程類似的方法實現TCP Client的通信流程。

2.4數據透明傳輸模式

NB-IoT DTU模塊可以設置為支持socket的網絡透明傳輸模式，這種模式下，DTU模塊可作為TCP Client或UDP Client，DTU鏈接的呼吸機串口可通過DTU模塊發送數據到Android終端的socket server服務器。DTU模塊也可接收來自Android終端的數據，并轉發至串口設備(呼吸機)。在透明傳輸模式下，用戶不需要關注串口數據與網絡數據包之間的數據轉換過程，只需將通道模式設置為TCP/UDP 透明傳輸，并設置相應的服務器IP、端口和類型即可實現串口設備(呼吸機)與網絡服務器(Android終端)之間的數據透明傳輸，如圖5所示。

圖5 透明傳輸模式示意圖

2.5心跳包功能

在呼吸機巡查監測過程中，在NB-IoT DTU與Android移動終端之間需要保持持續的數據鏈接，否則需要重建數據通道，影響監測流程。由于NB-IoT網絡的數據鏈路使用的是4G/LTE公共移動互聯網，服務運營商會對連續3 min無數據傳輸的通信鏈路自動切斷。同時，呼吸機MDEIBUS通信協議規定，如果呼吸機通信接口連續3 s處于空閑狀態，會認為是通信超時錯誤，將初始化通信接口。因此，系統為保持通信鏈路，需在建立透明傳輸鏈路后，設置一個線程，當鏈路空閑時，以2 s為周期向呼吸機串口發送NOP-Command指令。

NB-IoT DTU模塊本身也可以設置心跳包功能，在網絡透明傳輸模式下，定時向NB-IoT網絡和設備串口發送心電包數據，以監測數據透明傳輸模式下網絡傳輸鏈路的工作狀態，如圖6所示。

圖6 心跳包示意圖

3 總結與展望

本研究呼吸機遠程移動巡查監測系統的總體設計思路，是在成熟的基于NB-IoT遠程數據透明傳輸技術框架的基礎上，采用商業化的軟硬件體系，高度簡化系統及網絡結構，大幅降低了系統的硬件依賴性。在醫院用呼吸機的數據采集端，系統采用了NB-IoT DTU模塊等極為成熟的商業化物聯網硬件系統解決方案，無需專門設計特殊的硬件系統即可實現醫院用呼吸機工作狀態和運行參數的采集和傳輸。在應用端，系統采用支持4G/LTE通信的商業化Android移動終端作為硬件平臺，為醫護人員的現場巡查提供了便利。同時，系統在網絡結構上采用公共移動通信網作為網絡平臺，突破了以太網、WIFI等局域網的使用區域限制，通過極為簡化的系統網絡結構實現了遠程實時雙向數據傳輸。本研究技術解決方案不僅大幅降低了系統的成本，而且實現了極為靈活的現場部署和安裝配置，特別適用于在方艙醫院等防疫野外現場的呼吸機設備狀態監測和控制；同時，由于系統的結構高度簡化，避免了由于系統結構復雜而導致的不穩定，提高了系統的可靠性。由于國內的呼吸機制造商尚未公開其外部數字接口和通信協議，本研究系統目前尚無法應用于國產醫院用呼吸機。呼吸機的外部數據通信在技術尚已非常成熟，在安全方面也有完善的解決方案。如果國產呼吸機制造商能合作研制統一的外部數字接口和通信協議，不僅能為醫用的數字化監管提供方便，也將有利于制造商通過遠程通信的方式及時獲取產品的安全狀態和運行參數，對醫院用呼吸機產品的可靠運行和質量提升也會發揮重要的作用。