基于嵌入式Web的医用变压吸附制氧装置控制系统设计.pdf

2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application610 引 言地球上氧气占空气的 20%，是地球上不可或缺的生命之源，是维持人类生命活动的必需物质之一，同时氧气在医疗、军事、工业等领域也有着极为重要的作用1-3。随着国内制造业、航空航天领域尤其是医疗产业的不断发展，氧气的需求量不断提高。疫情形势下，充足的氧气供应可以为中症或重症患者提供很好的辅助治疗手段。因此，医用制氧装置远程控制系统有着很好的发展前景。本样机所采用的变压吸附制氧法利用了分子筛在高压下对氮气等气体的吸附性能，以及低压下解吸附这些气体的特性，达到对氧气和空气中氮气等其他气体分离的作用。该装置具有结构简单、自动化程度高、操作方便灵活、投资少、能耗低等优点。本研究结合变压吸附制氧装置的工艺流程，开发设计了一套以 STM32 单片机为主控制器，基于嵌入式 Web 的高自动化、智能化的医用制氧装置远程控制系统，为医用变压吸附制氧装置进一步发展提供了技术支持。1 变压吸附制氧工艺流程结合变压吸附制氧的工作原理4，研究开发变压吸附医用制氧装置的控制系统，首先需要确定变压吸附制氧的工艺流程。本样机采用了两塔式变压吸附制氧法，相对于常见的三塔式制氧法，具有成本低、控制方便、体积小等优点5。具体工艺流程如图 1 所示。进气电机打开，空气被吸入制氧装置内部，再经由鼓风机吹入筛塔中，分子筛在高压条件下会吸附氮气等气体，仅氧气可以通过。过滤后的氧气到缓冲罐中，再经过止回阀进入增压机增压，经过氧气浓度传感器，如达标，则将合格的氧气吹入氧气罐中，否则将不合格的氧气经由三通电磁阀排放到装置外部。当分子筛的吸附效果达到饱和，则将鼓风机反转，将筛塔吸至负压，分子筛吸附的气体被释放，由缓冲罐中多余的氧气回流冲洗，将筛塔内部的氮气等其他气体重新排放到大气中，此为一个制氧周期。2 硬件设计变压吸附医用制氧装置的控制系统以 STM32F103ZET6单片机为主控芯片6。该芯片集成了中断、定时器、串口、I2C、SPI、AD/DA 等功能，执行指令高速且稳定，软件开发系统成熟7。控制系统所涉及的外围电路包括供电电路、以太网控制电路、电机驱动电路、显示电路、LED 显示电路、电磁阀驱动电路、A/D 转换电路、输出及接口电路等。其硬件系统框图如图 2 所示。2.1 供电电路设计变压吸附医用制氧装置各部分所需供电有所不同，其中进气电机采用的是外部电源供电；电磁阀采用 24 V 供电；本样机采用变频器改变频率的方式来控制鼓风机电机以及增压机电机，变频器采用的是 24 V 供电；氧气浓度传感器、压力传感器、流量传感器采用的是 5 V 供电；主控芯片等采用的是 3.3 V 供电，因此需要电源转换电路来给整个控制系统提供稳定且合适的供电。本文采用 LM2672 降压芯片将外部 24 V 电压分别降为 12 V、5 V、3.3 V 供各部分使用。供电电路如图 3 所示。2.2 驱动电路设计2.2.1 电磁阀驱动电路设计变压吸附医用制氧装置的筛塔、缓冲罐、输送管道的安全及控制稳定性主要依靠电磁阀来控制，当筛塔与缓冲罐的压力传感器所测得的压力值过高时，需要控制电磁阀打开阀门，适当排气以降低罐内的压力。电磁阀的工作电压为 基于嵌入式 Web 的医用变压吸附制氧装置控制系统设计魏士杰，高龙琴，王志伟（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127）摘 要：为给变压吸附医用制氧装置控制提供技术支持，设计了一套操作简单、稳定的控制系统。控制系统采用 STM32F103ZET6 单片机为控制核心，并设计电源电路、以太网控制电路、负载驱动电路、电机控制电路等外围控制电路。结合变压吸附制氧原理编写控制程序，将单片机作为嵌入式 Web 服务器，浏览器作为客户端，并进行上位机设计开发。本文设计实现了变压吸附制氧装置控制系统的远程监测及控制等功能，且运行稳定。关键词：变压吸附制氧；嵌入式 Web；STM32；以太网；远程监控系统；智慧医疗中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0061-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.016收稿日期：2022-10-23 修回日期：2022-11-21物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application6224 V，而单片机的工作电压是 3.3 V，不足以驱动电磁阀。因此当主控芯片接收到压力传感器值，会与设定的压力阈值进行对比判断。若压力阈值低于当前压力传感器的数值，则主控芯片的输出引脚输出较低的信号，经过缓冲器后再经过MOSFET 管放大，电磁阀接收到放大后的开关信号，进行开启动作，反之则关闭电磁阀。图 1 变压吸附医用制氧装置工艺流程图 2 硬件系统框图图 3 供电电路设计2.2.2 电机驱动电路设计制氧流程首先由进气电机将空气吸入装置内部，然后由鼓风机将空气吹入筛塔，滤出氧气，最后由增压机给过滤后的高浓度氧气增压，进而成为产品氧气，输送到氧气瓶中。其中进气电机无须控制转速以及正反转；而鼓风机与增压机需要根据压力传感器、流量传感器以及氧气浓度传感器的数值实时控制电机的转速。其中鼓风机可以通过控制其正反转实现筛塔中制备氧气以及回流冲洗的功能。2.2.3 显示装置及 LED 电路设计变压吸附制氧装置采用 TFTLCD 作为控制系统的显示装置，主要用来显示传感器所得到的数据以及电机状态、装置内部环境状态等参数。同时采用发光二极管作为控制系统的指示灯，用来提示系统的工作状态。2.3 以太网控制电路设计变压吸附制氧装置通过 DM90008以太网控制芯片以及RJ 45 网络接口，与上位机之间用网线连接。上位机接收控制系统测得的传感器、电机状态等数据，并实时在上位机页面及 LCD 屏上面显示，同时上位机可以远程修改控制系统的传感器阈值和电机状态。2.4 输出及接口电路设计变压吸附医用制氧装置的输出、输入信号以及接口电路，主要用来外接实验过程中所需要用到的设备，其中接口电路用来连接装置外部输入的热电阻、电机状态以及传感器信号、输出的电磁阀和电机信号。2.5 A/D 转换电路设计变压吸附医用制氧装置采用的 STM32F103ZET6 主控芯片内部自带 12 位 AD 转换器。为了提高传感器测量的精度，本样机选用外部 16 位 AD 转换器 LTC2439 来代替内部 AD转换器。氧气传感器、压力传感器、流量传感器等 A/D 转换电路如图 4 所示。热电阻在变压吸附医用制氧装置中起到温度监测的作用，利用阻值随着温度变化而变化这一特性来测量环境的温度，具有测量精度高、滞后小等优点。其中热电阻控制电路采用三线式连接的方法连接外部的热电阻，可以减少导线对热电阻信号的影响。热电阻信号经过外部 AD 转换器LTC2439 后，将传感器信号发送到主控芯片进行数据处理。2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application63图 4 A/D 转换电路2.6 PCB 电路板设计为了提高布线效率、降低信号干扰以及提高控制器的稳定性。本样机采用四层板作为控制系统的 PCB 布局方式，四层板的设计形式适用于元器件装配密度较高、线路布局较为复杂的场合，可以大幅度降低布线的难度；同时因体积较小，电子元件之间的走线距离缩短，加快了信号传输的速度。相对于二层板，加入了地线层，传感器、以太网通信等信号线与地线层之间形成了稳定的低阻抗，具有较好的屏蔽效果。具体 PCB 布线如图 5 所示。PCB 三维图如图 6 所示。图 5 PCB 布线图 图 6 PCB 三维图3 下位机软件设计本样机需要实现上位机对下位机传感器数据的远程监制功能。样机将 STM32 单片机作为嵌入式 Web 服务器，PC 机浏览器作为客户端。在客户端浏览器上向嵌入式服务器发送POST 请求，请求格式为“/URL/SendData=SendValue”。此时下位机端接收到上位机发送来的请求报文，首先判读上位机 POST 请求报文中的 URL 是否正确；其次判断请求报文“SendData=SendValue”中是否有需要改变的 SendData，如果有，那么在下位机端获取上位机端发送过来的数据并存储到单片机的存储器中。根据所得到的数据来控制机器进行调整阈值、启停电机、开关电磁阀等操作，同时返回 XML 文件给上位机，上位机接收到返回的 XML 文件后，进行解析，在上位机页面加载 XML 文件内的数据，如果没有，则返回null，并结束这一次请求。常规的上位机向下位机发送 POST请求时会导致上位机网页进行一次刷新，会在一段很明显的时间里导致网页的空窗期，因此本样机采用了 AJAX 异步刷新技术9，可以实现网页在发送 POST 请求的情况下不刷新页面，并实时加载下位机返回的数据，提高用户体验。上位机中 AJAX 异步刷新技术封装函数为：let xhrSetParameter=new XMLHttpRequest();xhrSetParameter.open(POST,test.xml,true);xhrSetParameter.send(data);xhrSetParameter.onreadystatechange=function()if(this.readyState=4&this.status=200)let xmlDoc=xhrSetParameter.responseXML;Test.innerHTML=xmlDoc.(XML 标签);具体 AJAX 请求流程如图 7 所示。图 7 AJAX 请求流程4 上位机软件设计上位机软件采用 HTML、CSS、JS、XML 等语言编写设计。HTML、CSS 及 JS 作为前端语言，具有所写即所得的优点，在开发过程中可以实时调试所设计的页面，极大提高了开发效率。XML 是独立于软件和硬件的信息传输工具，是一种可扩展标记语言，常被用来在嵌入式系统与上位机之间传输数据，开发人员可以任意命名具有实际含义的标签名。当 XML 文件由下位机返回到上位机时，上位机可以通过获取 XML 的标签名内部的参数，接收单片机发送来的传感器数值、电机状态、电磁阀状态等参数。本样机采用浏览器作为上位机软件的开发平台10，将所开发的网页烧录到单片机的存储器中，并通过网线将上位机与单片机链接，即可在浏览器客户端输入嵌入式 Web 服务器分配的 IP 地址，访问处于单片机存储器中的网页文件，并在浏览器显示出来。本研究所制作的上位机包括登录注册、远程监测、远程控制、本地文件存储等功能，能实现对制氧装置工作状况的实时监测与控制。具体上位机页面如图 8 所示。物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application64图 8 上位机主页面5 结 语本文基于变压吸附制氧原理设计了以 STM32 单片机为控制核心的变压吸附制氧装置控制系统，并设计了外围控制电路以及 PCB 电路板。编写下位机控制程序以及上位机控制软件，应用 AJAX 异步刷新技术，将浏览器客户端与嵌入式 Web 服务器连接起来，实现了医用变压吸附制氧装置与上位机之间的数据传输和远程控制的功能。整个控制系统具有稳定性高、操作简单、人机交互体验良好等优点。本文研究为医用变压吸附制氧装置的进一步开发研究提供了参考。注：本文通讯作者为高龙琴。参考文献1 程兆光.变压吸附制氧装置运行优化研究 D.济南：山东建筑大学，2021.2 田涛，高万玉，张彦军，等.小型变压吸附制氧装备主要工艺参数的研究 J.医疗卫生装备，2018，39（7）：16-19.3 周渝淞.变压吸附制氧装置的 PLC 控制研究 D.武汉：华中科技大学，2012.4 王大伟，王秋霞.制氧供氧技术研究进展 J.化学工程与装备，2022，51（9）：251-252.5 张轶，闵文博，薛正良，等.变压吸附制氧在高炉富氧喷煤中的应用 J.炼铁，2021，40（5）：56-59.6马传奇.基于STM32温度监测系统研究J.电子技术与软件工程，2022，11（15）：82-86.7 HE Z W，RUAN X X.Research on indoor air monitoring system based on STM32 J.Academic journal of engineering and technology science，2022，5（7）：1-10.8 乔有田，王俊，邵万灵，等.基于 STM32 的 DM9000A 网络接口裸机的应用研究 J.工业控制计算机，2020，33（8）：41-42.9 温立辉.AJAX 异步交互技术浅析 J.山东工业技术，2017，36（4）：213.10 国婷婷，宋萍，任广治，等.基于 B/S 架构的“齐鲁风云”监控系统设计与实现 J.现代信息科技，2022，6（15）：23-26.作者简介：魏士杰（1997），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式。高龙琴（1966），男，工学博士，副教授，研究方向为嵌入式。王志伟（2000），男，硕士研究生，研究方向为嵌入式。5 结 语随着物联网技术、云计算技术以及新型 IT 技术的发展，农业种植也将逐渐走向智能化。智能化测控平台具有可操作性强、操控简单、易上手等诸多优点。本文为解决传统温室大棚结构相对简陋、缺乏技术含量、保温能力差、生产效率低等问题，在传统温室大棚中应用了智能化测控平台。测试结果表明，此种方式为务农人员开展生产种植提供了极大的便利。注：本文通讯作者为王兴。参考文献1 王兴，唐先玮.一种可编程的智能测控平台系统研究 J.小型微型计算机系统，2020，41（6）：1203-1208.2 刘灿，朱晓坤，丁奇，等.智能农业大棚生产环境调控系统 J.智慧农业导刊，2022，2（17）：1-3.3 王欢.智能温室大棚全方位调温系统设计与应用 J.智慧农业导刊，2022，2（17）：22-24.4 崔志强，刘涛，樊森霖，等.物联网智能生态康养环境监控系统 J.内蒙古科技与经济，2022，41（13）：87-89.5 龚琴.基于物联网的温室大棚智能监控系统在农业中的应用 J.电脑与信息技术，2022，30（1）：53-56.6 马士明.一种新型智慧农业大棚系统的设计与实现 J.物联网技术，2022，12（1）：77-80.7 徐镇辉，郭里城，王燕贞，等.基于混合架构的智能农业远程监控系统设计 J.内蒙古科技大学学报，2021，40（4）：382-387.8 赵智健.基于 Zigbee 网络的智能大棚监控系统 D.贵阳：贵州大学，2021.9 胡开明，刘薇，付志坚.基于物联网智能温室大棚控制系统的设计 J.自动化技术与应用，2021，40（10）：64-67.10 蔡绍博，蔡绍硕，张军，等.基于物联网的智能农业环境监控系统软件设计 J.乡村科技，2021，12（25）：118-120.11邢玲玲.基于物联网的智能温室大棚监控系统研究J.电子制作，2021，28（16）：26-29.12 柴孟江，张熙烨，潘敏睿，等.温室智能大棚与精准灌溉物联网调控系统 J.北方园艺，2021，45（12）：147-154.13 董宇轩，崔啸鸣.基于 Arduino 的智能农业远程监测与异常预警系统研究 J.南方农机，2021，52（11）：54-55.14 何文静，肖紫芸，肖玲玲.基于 IoT 平台的智能温室大棚测控系统实现 J.科技创新与应用，2020，10（34）：39-41.15 宋清华.温室大棚生产注意事项及新技术应用 J.新农业，2022，52（19）：40-41.作者简介：崔志强（2001），男，内蒙古呼伦贝尔人，本科生，研究方向为物联网工程。王 兴（1981），男，山西太原人，博士研究生，副教授，研究方向为物联网工程、计算机技术。（上接第 60页）