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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于专家和SCADA的集中病人监护和护送系统

G.Venkateswarlu
印度泰伦加纳省海得拉巴市CVR工程学院EIE系助理教授。
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

在这篇论文中，我们提出了一个主要用于icu的病人监护和护送系统(重症监护单位)在医院。采用SCADA、PIC16F877和专家指导开发。SCADA是监控和数据采集系统的缩写。本文的主要目的是在医生不在重症监护室的情况下保护患者免受严重病情的影响(重症监护在我们的论文中，我们开发了一个称为专家系统的部分，当相关人员的正常情况增加时，该系统显示要给予患者的药物名称。所以没有必要担心没有医生的所有时间。在这里，温度、呼吸、心跳和ECG信号由生物医学传感器测量，并通过在SCADA系统中显示值将输出给控制器。心电信号的测量采用3个电极和控制器上的ADC配置，从硬件单元获取测量值。这些信号通过SCADA监控，这有助于我们了解患者的病情。如果病人的情况很严重，那么SCADA系统就会自动显示指导方针，药物就可以给病人服用了。这里的指南和药物都是从专家那里拿来的。

关键字
SCADA，专家系统，心电图，数据采集系统，呼吸温度，心跳传感器

介绍
基于专家和SCADA的现代患者集中监护和陪护系统是非常复杂的，这可以通过硬件生物医疗设备和计算机控制SCADA来实现。
1.体温，2。呼吸频率，3。心跳，4。心电信号，5。专家指南，6.警报。
体温:根据盖顿的说法，当环境温度大约在68°F到130°F之间时，人体具有将核心温度调节在98°F到100°F之间的非凡能力。在这里，体温是由热敏电阻类型的传感器测量的。
呼吸率:呼吸频率是一个人呼吸的频率。它会随着发烧和某些疾病而增加。计算呼吸频率的最佳时间是在一个人休息的时候，也许是在你测量了这个人的脉搏之后，而你的手指还在他的手腕上。如果他或她知道你在数[2]，他或她的呼吸可能会改变。
正常静息呼吸频率:新生儿至6个月:30-60次/分钟，6 - 12个月:24-30次/分钟，1-5岁:20-30次/分钟，6 - 12岁:12 - 20次/分钟，12岁及以上:12 - 20次/分钟。
心跳:心率可以用红外传感器测量。心率，或心脏脉冲，是用每单位时间内的心跳次数来衡量的心跳速度，通常是每分钟心跳次数(bpm)。经过大量训练的运动员可能会发现他们的静息心率降至每分钟60次以下，甚至可能低至每分钟40次。下面的列表显示了在幼儿时期心率(以每分钟心跳次数为单位)是如何逐渐减慢的。出生第一个月- 70-190,1 -11个月- 80-160,1 - 2岁- 80-130,3 - 4岁- 80-120,5- 6岁- 75-115,7 - 9岁- 70-110,10岁- 60-100。
心电图信号:通过合理排列电极，可以实现心电记录。心电图被广泛应用于心脏病的诊断。高质量的心电图被医生用来解释和识别生理和病理现象。
图像
图1所示。专家系统
报警:当患者身体状况超过正常情况时，报警就会响起。
本文主要有以下几个方面。第一部分:体温、呼吸等生物医学参数介绍
心率、脉搏率、心电信号和生物医学参数测量技术
第二部分:所考虑的应用程序框图
第三部分:生物医学传感器和信号调理电路。
第四部分:PIC 16F877微控制器接口。
段五:SCADA使用visualbasic6.0
第六部分:结果- scada屏幕
第七部分:参考文献。

文献调查
我研究了很多关于病人监护的生物医学论文，比如安全远程病人监护系统[12]，基于微处理器的ECG远程医疗和Telecare[13]系统，以及通过移动蜂窝网络传输多通道生物医学信号的蓝牙远程医疗处理器，这些论文只描述了病人身体状况的监测和远程系统，然后我想到如果病人的情况很严重，而医生没有，那么如何保护病人，然后我有了一个基于专家和SCADA的集中病人监测和护送系统的想法。本文主要介绍在医生缺席的情况下，如何保护患者免受严重病情的影响。

应用程序的框图
框图和电路图如图2所示。完整地描述了基于专家和SCADA的集中式病人监护和护送系统。在这里，我们将四个生物医学传感器连接到PIC16F877微控制器[3]。PIC16F877单片机与SCADA通过RS-232转USB线通过各自的驱动程序进行接口。微控制器要求电源为5V;采用开关电源供电。每个传感器的输出都给特定的信号调理电路，为控制器提供足够的信号电压范围。
除了大量的数字I/O线，PIC16F887还包含14个模拟输入。这意味着我们可以将模拟输入直接连接到控制器。它们使微控制器不仅能够识别引脚是否被驱动到逻辑0或1(0或+5V)，而且能够精确测量其电压并将其转换为数值，即数字格式。整个过程在A/D转换器模块中进行，该模块具有以下特点。
1.转换器使用逐次逼近的方法生成一个10位二进制结果，并将转换结果存储到ADC寄存器(ADRESL和ADRESH);
2有14个独立模拟输入;
A/D转换器允许将模拟输入信号转换为该信号的10位二进制表示;
通过选择电压参考Vref-和Vref+，转换的最小分辨率或质量可以根据不同的需要进行调整。
图像
ADC模式和寄存器:虽然A/D转换器的使用看起来非常复杂[8]，但它基本上是非常简单的，比使用定时器和串行通信模块简单。该模块由四个寄存器的位控制。
ADRESH -包含转换结果的高字节。
ADRESL -包含转换结果的低字节。
ADCON0 -控件寄存器。
ADCON1-控制寄存器。
在这个项目中，我们有两个展示单元。一个是SCADA显示单元，另一个是LCD显示单元。这里有两个显示单元显示人体的参数，而SCADA系统以图形、记录和表格的形式一次显示所有的参数。它提供患者的历史数据，主要作为专家系统。这里LCD显示器主要用于校准目的，也用于安全目的，即使SCADA失败。
当患者身体参数(生物医学参数)超过正常值时，蜂鸣器将亮起。蜂鸣器由PIC控制器控制。PIC单片机通过RS-232转USB接口，通过MAX232与PC或SCADA系统连接。驱动程序可以被安装来读取控制器的配置，然后只从控制器读取数据到PC内存。这个项目中最困难的部分是了解让PIC微控制器与USB端口通信所需的内容。最重要的两件事绝对必须正确的是微控制器配置和USB设备描述符。即使是最小的
事情是不正确的关于这两个，沟通将不会发生。即使在对微控制器编程之前，它的配置也必须正确。在micro BASIC Pro中，这是通过编辑项目来完成的。

生物医学传感器和信号调理电路
与PIC微控制器PIC16F877相连接的设备可以对设备信号进行调节。以下设备用于测量人体的生物医学参数。
热敏电阻传感器:这里我们使用的是盘式热敏电阻，如图3所示。热敏电阻传感器主要用于室温测量，最高可达中等高温[9]。热敏电阻的最大优点是灵敏度高。它们在研究和医疗应用中很受欢迎，例如作为电子医用温度计。低成本固态传感器，标准电阻公差可达±2%，对温度变化灵敏度高，适用于温度测量、控制和补偿。机械强度优异，工作温度范围宽:-50℃~ 150℃。
心跳测量系统:心率是用来描述心脏循环频率的一个术语。它被认为是四个生命体征之一，这个电路是用来测量心率的。心率由红外发射器和接收器测量，如图4所示。当电源接通时，红外发射机将射线传送到接收器[5]。根据血流的不同，红外线会被打断。由于红外接收器的传导中断，因此产生可变脉冲信号，然后将其调节并给予控制器单元，在那里校准其计数，并在SCADA系统中显示每分钟的心率。
图像
图像
图像
呼吸测量系统:图5所示的电路是用来测量呼吸温度的，热敏电阻放置在呼吸面罩中。由于呼出的空气温度，热敏电阻的电阻变化，并根据其诱导输出，这是一个模拟值。该值被赋予控制器和变量值显示使用SCADA系统。呼吸系统促进血液的氧合，同时清除循环中的二氧化碳和其他气态代谢废物。
心电测量系统:心电图是由心电图仪产生的图形，它记录了心脏在一段时间内的电活动。ECG信号(体表电位)被ECG电极感知并传递给LM311(图6)。其中操作如下所示。
311的简化模型如图6所示，其输出表现为连接在输出引脚7和引脚1之间的开关。引脚7可以连接到任何电压V++，其量值比- V电源端子(引脚4)高出40 V。当(+)输入引脚2比(-)输入引脚3更正时，311的等效输出开关打开[8]。V0由v++决定，为+ 5v。当(+)输入小于(下面)(-)输入时，311的等效输出开关关闭并将引脚1的地扩展到输出引脚7。Rf (LM311的反馈电阻)和Ri (LM311的输入电阻)增加了约50 mV的迟滞，以最大限度地减少噪声影响，因此引脚2基本上在0 V。对于Ei (LM311输入电压)的正半周，V0 (LM311输出电压)为0v(开关闭合)。对于Ei的负半环，V0为+ 5v(开关打开)。这是一个典型的接口电路;因此，电压可能在+ 15v和- 15v之间变化，但V0限制在+ 5v和0v之间，这是典型的数字信号电平，因此311可用于将模拟电压电平转换为数字电压电平，用于接口应用[9]
图像
报警电路:控制器的输出决定蜂鸣器的工作。每当病人身体状况超过正常状态时，警报就会响起。蜂鸣器只有在正极和地连接到图7所示的适当端子时才能工作。我们通过晶体管控制蜂鸣器接收的地面信号来控制蜂鸣器。具体操作如下。当控制器输出高时，晶体管传导，使低电位到达蜂鸣器的一端，从而导致蜂鸣器发声。当输出为低时，晶体管将不导电。所以地面不适用于蜂鸣器。所以蜂鸣器没有响。
图像

PIC 16f877单片机
PIC单片机主要用于以心电信号为主的生物医学参数的标定，通过MAX232可以很容易地在PC或笔记本电脑上进行配置，也可以进行ADC(模数转换)运算，如图8所示。本文所使用的单片机是PIC系列[6]单片机。CMOS和RISC组合的主要优点是低功耗，导致芯片尺寸非常小，引脚数量很少。CMOS的主要优点是它比其他制造技术对噪声有免疫力。在pic16F877中使用的技术是闪存技术，因此即使电源关闭，数据也会被保留。易于编程和擦除是PIC 16F877的其他功能。主要采用高性能RISC CPU，运行速度:DC - 20mhz时钟输入，DC - 200ns指令周期，最大8K × 14字Flash程序内存，最大368 × 8字节的数据内存(RAM)。高达256 x 8字节的EEPROM数据存储器，引脚兼容PIC16C73/74/76/77，商业和工业温度范围。
图像
MAX 232:这主要用于PC与PIC单片机的接口，以维持所需的TTL\ CMOS逻辑。Max 232是一个双RS-232接收器/发射器，满足所有EIA RS232C规范，同时只使用+5V电源[1]。它有2个机载电荷泵电压转换器，从单个5V电源产生+10V和-10V电源。它有四个电平转换器，其中两个是RS232变送器，将TTL\ CMOS输入电平转换为+ 9V RS232输出。另外两个电平转换器是RS232接收器，可将RS232输入转换为5V。

Scada使用visual basic 6.0
SCADA是监控和数据采集系统。SCADA在医疗系统尤其是ICU中也有重要的应用价值。使用各种传感器监测患者的状态。传感器的输出被馈送到SCADA系统或微控制器，两者在工作中相互补充。SCADA将警报信号发送给技术员，技术员将通过SCADA监视器监督整个ICU。设计合理的SCADA系统可以节省时间和金钱，不需要服务人员访问每个站点进行检查、数据收集/记录或进行调整。
Visual Basic环境:本文采用的是VISUAL BASIC SCADA软件。在启动时，Visual Basic 6.0将显示如图9所示的对话框。您可以选择启动一个新项目，打开一个现有项目或选择最近打开的程序列表[4]。项目是组成应用程序的文件的集合。我们可以创建各种类型的应用程序;然而，我们将专注于创建标准的EXE程序(EXE意味着可执行程序)。现在，单击Standard EXE图标进入实际的VB编程环境。
图像
图像
图10显示了Visual Basic环境，它主要包括以下内容
A.空白表单窗口，您可以在其中设计应用程序的界面。
项目窗口显示在应用程序中创建的文件。
c . Properties窗口，显示在应用程序中创建的各种控件和对象的属性，它还包括一个工具箱，由开发VB应用程序所需的所有控件组成。控件是在窗体上绘制的框、按钮、标签和其他对象等工具，用于获取输入或显示输出。它们还增加了视觉吸引力。

RESULT-SCADA屏幕
通过使用visual basic环境，我们必须根据我们的要求创建SCADA屏幕，以便在SCADA屏幕上显示所需的生物医学参数。
患者详细资料及相关参数:我们利用VB 6.0构建了一个用于医疗应用的SCADA系统，即所有传感器的数据都被输入到SCADA系统中。患者详细信息SCADA屏幕如图11所示。在SCADA系统中使用vb6.0显示患者的详细信息，如姓名Dinesh, id no:1005，日期和时间以及患者各自的参数。
图像
VISUAL BASIC是一种视觉和事件驱动的编程语言。这些是与旧的BASIC的主要区别。在BASIC语言中，编程是在纯文本环境中完成的，程序是按顺序执行的。在VISUAL BASIC中，编程是在图形环境[4]中完成的。因为用户可能会随机点击某个对象，所以每个对象都必须独立编程，以便能够响应这些动作(事件)。因此，一个VISUAL BASIC程序是由许多子程序组成的，每个子程序都有自己的程序代码，每个子程序可以独立执行，同时每个子程序可以以这样或那样的方式链接在一起。在这里，通过数据采集从生物医学传感器收集数据。通过使用SCADA系统，可以以不同的显示格式显示数据。
图形化分析:通过SCADA系统可以对各参数进行图形化分析并进行监控，如图12所示。该图解释了患者心电图、心跳、体温、呼吸频率等身体状况参数的图形表示。这里在线图表示体温，其中x轴表示时间，y轴表示温度。
报告:及时报告病人的情况，这是非常有用的医生采取未来的医疗课程关于病人的情况。报告如图13所示。该图描述了患者在特定时间和日期的详细健康状况，我们也可以收集患者身体状况的历史数据。这些屏幕是用VISUAL BASIC编程语言开发的。
整个SCADA系统:这是本工程的主SCADA画面，如图14所示。它包括专家系统、患者详细信息(患者姓名、ID号、日期和时间)、参数值(脉搏率、体温和呼吸率)和图形分析，图形分析以信号图的形式描述了参数的表示，这里它表示ECG(心电图)信号，也表示心率、体温和呼吸率，以图形的形式显示在在线图中。基于专家和SCADA的患者集中监护陪护系统全屏如图14所示。通过这个屏幕，我们可以持续监测患者最新的健康状况，并主要遵循专家的指导和处方药物。

结论及未来改进
本文成功地构建和设计了基于专家和SCADA的患者集中监护陪护系统，利用该系统可以成功地监测患者的体温、呼吸频率、心率和心电图。专家系统保护患者免于重症。因此，我们已经看到了通过基于SCADA的系统对一些关键参数进行监测，同样，通过选择可靠的传感器和设计合适的SCADA系统也可以对其他关键参数进行监测，自动化ICU监测具有许多优点，可以满足我们的需求。如果基于互联网的系统和android应用程序升级和改进，可以重新设计开发的系统更好。

参考文献














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