基于多傳感器的醫院空氣正壓異常監測報警系統

趙海宏

河北醫科大學第三醫院 醫療設備處，河北 石家莊 050000

引言

空氣正壓系統具備凈化、殺毒、換氣以及多重凈化消毒組合等特點，因此，其主要用于醫療場所，例如，醫院、基因擴增實驗室等，其主要通過空氣壓縮機完成系統的運行和使用[1]。目前醫院在搶救和治療過程中主要使用液態氧氣壓縮瓶及醫用分子篩中心制氧系統，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和高壓儲氣罐中[2]，再經分子篩吸附系統以及減壓閥的處理后進入氧氣存儲罐中，其是用于醫學診斷以及救治病情嚴重患者的主要醫療設備，但若出現故障將會威脅患者生命安全[3]。空氣正壓系統主要為患者提供空氣，但若在使用過程中發生異常，會對使用患者造成極大影響，例如，其發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，為保證醫院空氣正壓的安全使用和運行，實時監測成為主要手段。但由于目前大多醫院對空氣正壓的監測以人工監測為主，因此，對于監測的實時性、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，實現目標的監測。

Camelia等[5]和盧光躍等[6]為實現異常的實時監測，分別研究基于深度學習和基于圖信號處理異常監測方法，但由于空氣正壓系統異常監測方法的魯棒性較差，導致上述方法在異常狀態早期的監測效果不理想。基于此，本文旨在設計一種基于多傳感器的醫院空氣正壓異常監測報警系統，以期實時掌握醫院空氣正壓氣體的使用情況，及時發送異常報警。

1 醫院空氣正壓異常監測報警系統設計

1.1 系統架構

本文設計的系統架構如圖1所示，系統的數據采集部分通過多傳感器獲取空氣正壓數據，并經由數據通信部分將數據安全傳送至監測報警部分，該部分對數據實行異常故障關聯度分析計算后，通過顯示報警器發送預警，醫院監控部門可通過顯示器查看監測報警結果。

圖1 醫院空氣正壓異常監測報警系統架構

系統整體由控制終端、數據通信、控制終端3個部分組成。

（1）數據采集部分：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，完成醫院空氣正壓異常數據的采集。

（2）數據通信部分：本文在實行數據通信過程中，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]，利用通信協議將采集到數據傳輸給工控機。

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

1.2 數據采集部分

1.2.1 空氣正壓采集硬件結構

本文在對醫院正壓氣體實行異常監測報警時，結合自動化和智能化的應用需求，為可靠監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]。醫院空氣正壓在使用過程中，需依據其不同的參數量程和氣體介質，確定多傳感器的選擇和部署，本文結合醫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據采集，則該采集部分的硬件結構如圖2所示，由于系統中的中央監控主機在對空氣正壓實行監測過程中，無法直接獲取出多傳感器采集的空氣正壓數據，因此，ZigBee芯片是監控系統的核心，ZigBee芯片能夠對GWD42型溫度傳感器、GYH25型氣流傳感器、協調器、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據；并且ZigBee芯片能夠控制多傳感器，可通過接力的方式向協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測報警部分[9-11]。為保證采集的持續性，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，以此實現系統的擴展。

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據進行運算直接顯示粉塵質量濃度并轉換成數據信號輸出。

圖4 gcg-1000型濃度傳感器

1.2.2 空氣正壓數據采集流程

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芯片進行監測報警系統的控制。這是因為ZigBee技術被應用到醫院空氣正壓異常監測報警中時具有如下的優點：① 自組織：ZigBee網絡中每個設備無須特別的現場配置就能加入網絡，易于安裝，適合大規模應用；② 功耗低：在網絡運行后，應用ZigBee技術進行數據傳輸時速率較低，因此，收發信號時間較短。由于進行信息收發消耗的功率較低且節點在不工作時采用休眠處理，可延長其生存周期。這對于連續長時間監測空氣正壓系統具有重要意義；③ 通信距離近：2個ZigBee設備之間通常可以在10～100 m范圍內進行通信。加強后，可在大范圍內通信。設計系統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據，依據數據轉換器實現工控機與集線器的數據交互控制，經由路由器與互聯網獲取到的數據傳輸到存儲中心，將互聯網中的空氣正壓數據反饋給用戶智能終端。空氣正壓數據采集指令由監測報警部分的管控中心下達，多傳感器根據指令在ZigBee芯片的控制下，采集空氣正壓氣體數據，每個傳感器采集的數據直接經由數據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，將采集的數據存儲至以存儲中心中，此完成空氣正壓氣體數據的采集。

圖5 空氣正壓數據采集流程

1.3 空氣正壓數據通信硬件結構

ZigBee無線傳感網絡在實行空氣正壓數據通信過程中，主要依據基于路徑質量的無線傳感網絡路由協議和ZigBee網關實現，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，空氣正壓數據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空氣正壓數據通信感知，通過GPRS技術能夠提升空氣正壓數據通信質量，通過局域網及以太網實現協議匹配及協議轉換，并在網關層進行數據交互。

圖6 空氣正壓數據通信硬件結構

1.4 空氣正壓異常報警方法

為實現對空氣正壓狀態的判斷，系統的監測預警部分需對采集的空氣正壓數據實行異常計算分析，以此判斷數據中是否存在異常狀態[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、異常事故關聯度計算、報警關聯度評價指標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據中的出現頻率較高的異常數據[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，基于此形成關聯規則發現的事務數據庫。

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表示次數，對應t1、t2同時出現的次數。

為更好地判定頻繁項集，引入置信度，其能夠描述一個數據出現后，另一個數據的出現概率，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作為輸入的數據集合；② 為獲取全部出現過的數據，采用掃描的方式對數據集合實行處理，以此，尋找各個異常空氣正壓數據出現的次數[14]；③ 對各個類別的異常空氣正壓事件的支持度實行求解，將計算結果中低于設定閾值的置信度對應的數據集刪除，采用組合的方式處理剩余數據集，形成空氣正壓異常事件[15]，即為2種異常組合，并對其出現頻率實行計算；④ 根據步驟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據集刪除，采用組合的方式完成將剩余數據集的處理，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 異常事故關聯度計算

由于在實際使用中，空氣正壓連續發生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度計算。

設Bi和Bj分別表示空氣正壓頻繁出現異常的一組事件，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并發時的空氣正壓故障關聯程度P(A2|Bi∪Bj)的計算方式如公式（3）所示。

式中，E1和E2均表示故障關聯程度，前者是由Bi引起，后者是由Bj引發。

1.4.3 報警關聯度評價指標

空氣正壓發生異常報警時，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對應的故障關聯度評價完成[19-20]；多個單故障異常報警則通過最大的關聯度值Z評價，其標準公式如式（4）所示。

式中，Z的數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，監測結果為運行正常；Z取值范圍為20.0～39.9，監測結果為異常；Z取值范圍為＞40，監測結果為故障。

1.5 空氣正壓數據的采集效果

為測試本系統空氣正壓數據的采集效果，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均表示數據，前者為傳感器獲取數據，后者為實際數據；n表示數據數量。2種指標的取值范圍在[0,1]之間，越接近0，表示數據采集效果越佳。

1.6 網路數據通信優勢和效果

為衡量本系統的網路數據通信優勢和效果，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，其對應源節點s至節點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 統計學分析

為了對空氣正壓異常監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測報警數據統計學分析，將visio 2010軟件作為繪圖軟件進行檢測結果數據展示。

2 結果

2.1 本系統對于空氣正壓異常監測報警的應用性能

為測試本系統對空氣正壓異常監測報警的應用性能效果，將河北醫科大學第三醫院的空氣正壓系統作為研究對象，采用本系統對該醫院僅使用空氣正壓系統的20個房間實行監測，以獲取本系統的監測報警結果。同時在醫院的急救中心、監護中心選取60例呼吸類疾病患者，在醫院的空氣正壓系統設備上部署多傳感器，采集其運行狀態數據。本系統對于醫院空氣正壓系統的數據采集效果如圖7所示，隨著采集房間數量的逐漸增加，本系統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，說明本系統的空氣正壓數據采集效果良好。

圖7 空氣正壓數據采集效果

2.2 本系統對于網路數據通信優勢和效果分析

為衡量本系統的網路數據通信優勢和效果，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，匯聚節點距離在覆蓋半徑距離為4 m，本系統能將多傳感器采集的空氣正壓數據跳轉至匯聚節點，并且能夠找到跳數最少的路徑，由于跳數越少，越可保證數據的質量和完整性，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，數據大小為10 MB下路徑包投遞率為99.62%，數據大小為50 MB下路徑包投遞率為99.50%，數據大小為100 MB下路徑包投遞率為99.56%；當覆蓋面積為6 m2時，數據大小為10 MB下路徑包投遞率為99.60%，數據大小為50 MB下路徑包投遞率為99.63%，數據大小為100 MB下路徑包投遞率為99.72%；此外，覆蓋面積的逐漸增加，不同大小數據的路徑包投遞率均在94%以上，說明本系統具備良好的數據通信性能，其可保證數據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 本系統對于醫院空氣正壓氣體的監測效果分析

采用本系統對采集的數據實行分析計算，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，衡量本系統的監測性能，結果如圖10所示，房間數量為6時，氧氣濃度監測結果為99.7%，氧氣濃度實際結果為99.7%。房間數量為10時，氧氣濃度監測結果為99.8%，氧氣濃度實際結果為99.8%。分析上述曲線可知，本系統監測的醫院空氣正壓氣體含氧量與實際值保持一致。

圖10 醫院空氣正壓氣體含氧量測試結果

2.4 本系統對于空氣正壓異常監測效果

為衡量本系統對于空氣正壓異常監測效果，當空氣正壓發生異常后，本系統對于異常監測結果如圖11所示，本系統能夠全面監測醫院各個房間的空氣正壓系統供氧情況，可通過樓層切換查看不同樓層的空氣正壓系統的使用情況；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測記錄、實時監測結果以及報警情況，并且能夠顯示報警的異常類別。

圖11 醫院空氣正壓異常監測報警結果

3 討論與結論

本文設計基于多傳感器的醫院空氣正壓異常監測報警系統，經測試，滿足醫院管理應用需求，能夠自動化、智能化完成空氣正壓氣體的全面監測，并且獲取的空氣正壓數據的可靠性極佳，在保證數據安全、完成的情況下，實現采集數據的通信；同時可全面監測空氣正壓的使用狀態，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。房間數量為6時，氧氣濃度監測結果為99.7%，氧氣濃度實際結果為99.7%。本系統能夠有效對醫院空氣正壓氣體含氧量進行監測。覆蓋面積為8 m2時，數據大小為10 MB的路徑包投遞率為99.63%，數據大小為50 MB的路徑包投遞率為99.5%，數據大小為100 MB的路徑包投遞率為99.6%，表明本系統在對各個房間的空氣正壓氣體實行濃度監測時，能夠獲取各個房間的氧氣含氧量結果，并且監測結果與實際結果基本重合，表明本文方法的監測準確度較高，說明本系統具備空氣正壓監測功能，能夠智能完成氧氣的供應和使用情況，避免傳統通過人員逐一對房間實行監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。設計系統能夠在有效對醫院空氣正壓氣體含氧量進行監測，不同數據大小下路徑包投遞率都較為準確[8]。

本系統能將多傳感器采集的空氣正壓數據跳轉至匯聚節點，并且能夠找到跳數最少的路徑，由于跳數越少，越可保證數據的質量和完整性，表明選擇的通信鏈路質量較高；此外，覆蓋面積的逐漸增加，不同大小數據的路徑包投遞率均在0.94以上，說明本系統具備良好的數據通信性能，其可保證數據通信的安全性和完整性[12]。同時本系統能夠全面監測醫院各個房間的空氣正壓系統供氧情況，可通過樓層切換查看不同樓層的空氣正壓系統的使用情況。說明本系統在醫院空氣正壓監測報警方面具備良好的應用性，能夠滿足醫院管理的需求，全面監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，并保證在數據通信過程中[11]，可依據數據的類別或者結構完成數據交換，同時也可依據不同網絡協議完成協議轉換。并且在通信過程中，即使在發生移動的情況下，網關依據能夠保證良好的通信效果，實現互聯網和無線傳感網絡之間的數據交互，并完成數據存儲和備份。網絡中的基于路徑質量的無線傳感網絡路由協議能夠降低數據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，保證數據通信的完整性、安全性。