一種在線血液透析用水水質監測系統設計

曲怡蓉 劉 威 孫艷賓 唐 睿 于紅燕

山東藥品食品職業學院，山東 威海 264210

全球的腎病患者數量龐大，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要求較高，而用自來水為原料，經過凈化流程生產的透析水中可能存在微生物、化學物質、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、儲水箱等進入患者體內。其中，細菌進入患者體內可能會導致毒血癥、發熱、低血壓，嚴重的可能導致患者死亡[2]；化學雜質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引發慢性中毒癥狀，從而傷害人體的眼睛、呼吸道等部位；硝酸鹽等化學物質的混入可能會引起患者缺氧中毒，輕者頭昏、心悸、嘔吐、口唇青紫，重者神志不清、抽搐、呼吸急促，搶救不及時可能危及生命[3]。

在傳統血液透析水處理系統中,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,不能實時在線、高精度測得血液透析水處理系統中水的余氯含量、pH 等數據，化學試劑還存在防護問題,可能對實驗人員及患者的健康造成傷害[4]。針對上述問題，本文設計了一種在線血液透析用水水質檢測系統，可實現實時在線、高精度監測血液透析水處理系統中用水成分，保障患者用水質量。

1 設計思路

本系統設計的基本思路是搭建網絡云平臺，設計血液透析水處理系統在線水質檢測系統，實現對血液透析用水的余氯、亞硝酸鹽、pH 等數據實時監測。同時，通過網關模塊將數據傳輸至云平臺，實現遠程在線實時監測。工作人員能夠實時了解系統的檢測數據和歷史數據，在整個制水過程中對水質進行動態監測[5]。系統監測數據主要包括濃水電導率、純水電導率、余氯、集水箱液面高度、原水壓力、純水壓力、管路溫度、pH等。通過現場的數采儀、水質水壓表等在線感知設備，將其運行狀態數據匯集到云計算服務器,并對海量的水質信息進行分析與處理，以更加精細和動態的方式管理水務系統的生產、管理和服務工作，從而提高生產效率，降低運維成本，達到高效、智慧的狀態。

2 設計原理

將在線水質檢測系統安裝在血液透析水處理系統最末端，用以監測血液透析用水的pH、電導率、余氯、壓力等數據。通過該監測系統實現對水質的在線高精度實時監控，并自動將檢測數據、過程監控數據實時傳輸到配套云平臺儲存，工作人員可通過電腦、手機等移動終端訪問云平臺，實時監控水處理設備的運行信息、操作信息、報警信息以及歷史數據，工作人員根據得到的信息進行下一步操作。

3 具體設計

本文設計的在線血液透析用水水質監測系統是由血液透析水處理系統、在線水質檢測系統、在線實時監測系統、智能網關系統組成。

3.1 血液透析水處理系統

血液透析水處理系統由儲水罐、多級過濾器、多級泵構成，如圖1 所示。儲水罐用于集中儲存血液透析用水，保障用水量；多級過濾器用于過濾不同級別粒徑的雜質，包括待檢測的余氯、亞硝酸鹽等有害物質；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

3.2 在線水質檢測系統

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

在線水質檢測系統由水質檢測傳感器與配套變徑三通接頭組成，水質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計，上接口螺紋口徑對應本設計配套傳感器接頭的螺紋尺寸，如圖2 所示。水質檢測傳感器可根據需求變換不同類型傳感器，包括pH 傳感器、電導率傳感器、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計角度為60°，如圖3 所示，此設計角度可方便工作人員安裝、更換傳感器。

圖2 在線水質檢測系統

圖3 系統安裝角度示意

3.3 在線實時監測系統

在線實時監測系統通過水質檢測傳感器檢測pH、余氯等水質參數，通過智能網關系統將數據經由通用分組無線業務（general packet radio service，GPRS）網絡與基站將數據傳輸到云平臺上，相關工作人員可通過電腦、手機等移動終端在線查看水質數據（圖4）。該在線實時監測系統數據傳輸速度快，智能網關系統安全可靠，可實現長時間在線監測。

圖4 在線實時監測系統

3.4 智能網關系統

智能網關系統主要實現信號處理功能，水質檢測傳感器檢測到的模擬信號經濾波器濾波后，由模擬數字轉換器把模擬信號轉換成數字信號，再經調制模塊調制放大后，經串口模塊傳輸到STM 32 單片機，串口模塊能夠同時接收多個485 通信的信號，實現多信號傳輸、采集，再由頻帶模塊調制后經基站傳輸至云平臺。

4 使用方法

將血液透析用水水質檢測系統安裝在傳統血液透析水處理系統末端，通過AD 485 轉換模塊進行實時數據采集并與STM 32 進行通信，通過傳輸控制協議/網際協議（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）連接到監控系統上位機。監控系統上位機通過智能網關與云平臺進行通信，將數據存入云平臺數據庫。工作人員通過網頁端或手機端訪問云平臺，實時監控水處理設備的運行信息、操作信息、報警信息以及歷史數據，然后進行下一步操作。

5 創新點

（1）本系統涉及的在線水質監測系統可安裝在傳統血液透析水處理系統末端，可實現對血液透析水處理系統處理后的血液透析用水的高精度監測功能。

（2）本系統涉及智能網關的設計及制作，濾波器和調制模塊的選取，以及STM 32 單片機的程序開發。

（3）本系統的水質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計，上接口的螺紋口徑對應本系統配套的各類傳感器接頭的螺紋尺寸，可根據檢測需求，隨時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計角度為60°，此設計角度可方便工作人員安裝、更換傳感器。因此，本系統在結構設計上實現了隨時更換傳感器，拆卸簡便，節省空間等效果。

6 結語

本文設計的在線血液透析用水水質監測系統結合了最先進的物聯網、云計算、傳感器、自動控制等技術，可以在電腦、手機等移動終端實時顯示聯網設備的運行情況，同時通過大數據分析，對水處理設備的橫向數據（不同設備之間的數據）與縱向數據（單一設備的歷史數據）進行統計，解決血液透析中心在水處理過程中存在的能耗、成本、安全、設備管理、勞動生產率等方面的問題,為設備運維、售后服務、設備升級、故障告警、故障排查等方面提供強有力的支持。