李勇
（江苏省宿迁市泗阳医院，江苏宿迁，223700）
0 引言
在医疗行业中，温湿度是非常重要的参数，它们对于医疗设备的性能和稳定运行至关重要[1]。储存环境的温湿度不但直接地影响医疗设备的储存，而且还会影响医疗设备的性能和稳定性。一些医疗设备对温湿度有着极其敏感的要求，如手术室内的医疗设备、药品储存设施、实验室等。医疗设备通常会在运行过程中产生一定的热量，如果无法有效散热或温度无法控制在适宜范围内，可能导致设备故障或降低性能。且一些特定医疗设备中使用的电子元器件对于环境温度的变化十分敏感，这可能会影响设备的准确性和可靠性。例如，传感器、芯片等组件对于环境温度波动有特定的工作要求，在温度超出一定范围时可能会引发测量误差或功能故障。而许多医疗设备会使用电池作为电源，而电池的性能和寿命受环境温度的影响较大。较高的温度会加速电池的自放电速度、降低电池容量以及缩短电池寿命。因此，温度是医疗设备正常运行的重要因素之一，对于不同类型的医疗设备可能存在不同的温度影响方面。在设计温湿度实时监测系统时，需要考虑设备温度控制，以确保医疗设备的稳定运行和性能表现。而过高的湿度会导致电子元器件与空气中的水分反应，从而引起腐蚀。这可能会损坏电子元器件的金属连接、焊点或其他关键部件，导致设备的性能下降甚至失效。特别是在长时间暴露于高湿环境中的设备，腐蚀问题更加严重。且在高湿度环境下，电子设备的绝缘性能可能会受到影响，导致导体之间的电气绝缘降低。这可能引起漏电、短路或其他电气故障，对设备的工作稳定性和安全性产生危害。绝缘性能的降低还会增加设备故障的风险，并可能对患者的安全构成威胁。同时过高的湿度还可能导致电路中出现短路现象，例如由于水分进入设备内部引起的导电路径形成。这可能导致设备无法正常工作，甚至引起设备故障。短路还可能产生过电流和过功率现象，进一步危及设备的电气部件。因此，在设计医疗设备温湿度实时监测系统时，保持适宜的湿度水平对于确保设备的正常运行和长期稳定性非常重要。
因此，综上描述，如果温湿度超出规定范围，可能导致储存药品失效、实验结果不准确甚至设备损坏。所以，建立一个温湿度实时监测系统对保障医疗设备的正常运行和患者的安全至关重要。通过实时监测医疗设备的温湿度变化，并及时采取措施来调节环境条件，以提高设备的稳定性和可靠性。通过实时监测温湿度并及时进行调整，可以保证设备在合适的环境中工作，从而提高数据准确性和工作质量。此外，温湿度的变化可能对患者的安全产生负面影响，如药品效力下降导致治疗效果不佳、手术室内设备故障引发意外等。建立温湿度实时监测系统可以及时发现并解决问题，提升患者的安全和医疗质量。且通过实时监测温湿度并精确控制环境条件，在合适的范围内维持医疗设备的运行，可以避免过度能耗和资源浪费，达到能源节约和可持续发展的目标。综上所述，设计一个医疗设备温湿度实时监测系统具有重要的研究意义，因此，相关学者对此展开了研究，并取得了一定的研究成果。郭晓莹等人[2]设计了基于S7-1200PLC与组态王的温湿度监控系统，但该系统响应时间较长，耽误采取调节措施的时机。为此，提出基于单片机的医疗设备温湿度实时监测系统设计。
1 系统设计
■1.1 系统硬件设计
采用AT89S51 单片机作为核心，通过SHT11 传感器采集温湿度数据。利用RS-485 串行通信接收控制命令，并传输给上位机处理。当采集得到的数值超过限定值时，便会触发预警。通过这样的设计，可以同时实现控制功能的全面性与实时性。
图1 智能监控点原理图
1.1.1 单片机
AT89S51 单片机内置可编程只读程序存储器（Flash），可有效确保程序的可靠性。工作电压范围为4.0～5.5V，频率范围为0～33Hz，可支持全静态工作模式，且可通过在线编程。其AT89S51 单片机内部结构如图2 所示。
图2 AT89S51 单片机的内部结构
图3 SHT11 内部结构
AT89S51 兼容标准的8051 指 令CPU 系统和40 列 引脚布局，具有三级程序加密锁，可确保程序的安全性。
1.1.2 复位电路设计
AT89S51 提供了上电自动复位，当系统供电时，AT89S51 会自动进行一次复位操作。通过复位，AT89S51能够确保其正常运行并从初始状态开始工作。这为开发人员提供了灵活性和可靠性，使他们能够控制和管理单片机的启动过程。
上电复位电路由一个电阻器和一个电容器串联连接，能够确保单片机在供电时进行正确的复位。通过调整电阻和电容的数值，即RC 的大小，可以控制复位脉冲的持续时间，确保单片机能够在规定的时间内完成复位操作。具体是在上电过程中，当系统供电开始时，电容器会逐渐充电，当超过设定的阈值时，会触发复位信号，导致CPU 和系统的各个部件被强制置于初始状态，实现系统的复位。这样做可以确保系统在出现异常或错误情况下能够重新开始运行，并恢复到可预测和可控的状态。通过使用电容器阈值检测和复位电路，可以有效地管理系统的复位操作。为了满足复位电路的时间要求，需要保证电容充电时间t=RC>2M，其中M 为机器周期。
1.1.3 RS-485 串行通讯
RS-485 常用于上位机与下位机之间的通信，具有多节点通信能力、抗干扰能力强等特点。在该串行通信中，下位机作为接收方接收来自上位机的不同指令来执行相应的程序，实现所需的功能。RS-485 通信采用了差分信号传输方式，通过正极与负极两个导线实现数据传输。为了使计算机与AT89S51 实现通信，通常会使用RS-232 转换器以及MAX485 芯 片。RS-232 转换器 将RS-485 信号转换为RS-232 信号，以便与计算机进行连接。MAX485 芯片可转换和驱动信号，实现通信。该串行通信采用的是半双工通信方式，即每次只能进行发送或接收操作。单片机和计算机通过RS-485 通信同时进行发送和接收操作可能会引发冲突，因此采用了半双工通信来避免冲突问题。在电源供电方面，+5V 被用作通信电源，额定电流值为300μA。这种低功耗的设计使得通信过程中能够实现高效的能源利用。
1.1.4 温湿度传感器选择
SHT11 是一款采用复合传感器技术的温湿度检测模块，能够提供高精度的湿度和温度测量。SHT11 的湿度分辨率为12 位，即可将湿度的范围（0～100%RH）分成4096 个等份，从而获得更准确的湿度值。它还具有可靠的湿度测量误差控制，在正常工作条件下，湿度测量误差约为±3%RH。这意味着在设备的湿度变化范围内，SHT11能够提供准确的湿度测量结果。SHT11 的温度分辨率为14位，即可以将温度范围（-40℃～123.8℃）分成16384 个等份。它能够以非常小的步进值来检测和输出温度值，使温度的测量结果更加准确。在正常工作条件下，温度测量误差约为±0.4℃，这意味着它能够提供高精度的温度测量。同时，SHT11 可自动校准，无需进行额外的校准步骤，就能够获得准确的温湿度测量结果。这种自动校准的特性使得SHT11 具有完全的互换性，即它可以方便地替代其他具有相同技术规格的温湿度传感器。
在温湿度监测系统中，为了获取相对湿度和温度的具体数值，通常会使用温度传感器和湿度传感器来产生相应的模拟信号。生成的温度和湿度的模拟信号经过放大电路，可以增强信号的幅度和减小误差。再经过A/D 转换器进行模数转换为数字信号。在此过程中，还可能进行一些校准和纠错操作，以确保转换结果的准确性。转换后的温湿度数据可发送给微控制器。由微控制器可进行进一步的计算、分析和显示。在处理过程中，可能需要进行一些补偿操作，例如修正温度传感器的非线性特性或纠正湿度传感器的漂移等。通过这些操作，可以获得更准确和可靠的相对湿度和温度数据。
在该系统中，通过DATA 和SCK 引脚可实现AT89S51单片机和SHT11 传感器之间的通信，其连接电路如图4 所示。
图4 SHT11 与单片机连接电路
在发送数据时，将数据从AT89S51 的输出口传输到SHT11 的DATA 引脚上；而在接收数据时，将来自SHT11的数据从DATA 引脚引导到AT89S51 的输入口进行处理。通过这种串行通信方式，AT89S51 可以与SHT11 传感器进行数据交换，并获取所需的温度和湿度数据。通过模拟通信协议的时序信号，实现了AT89S51 与SHT11 之间的有效通信。
■1.2 系统软件设计
为实现精准的医疗设备温湿度实时监测，软件部分通过编写程序实现PID 控制算法[4]。PID 控制算法根据系统的误差、误差的积分和误差变化率计算出监测信号，并将该信号发送给单片机的输出接口，实现实时监测[5]。
1.2.1 适应度函数设计
PID 控制器的控制品质往往从以下几个方面考虑，超调量的多少，系统是否稳定、调节所用时间等。因此，适应度函数也是围绕PID 控制器控制品质来进行选取，即选用系统稳态误差的积分作为目标函数，并加入控制输出的绝对值，且在函数分母中加入时间参数，以为了减小误差带来的干扰，因此，适应度函数设计为：
在公式(1)中，e(t)是系统稳态误差，u(t)为PID 控制器输出，t为系统达到稳态误差所用时间，w1、w2、w3为各个参数的权值。
1.2.2 基于灰狼优化算法整定PID 控制器参数
PID 控制器由偏差比例、积分因子和微分因子结合来控制系统的单片机，以实现医疗设备温湿度实时监测。为达到可靠的医疗设备温湿度实时监测效果，将采用灰狼优化算法对参数进行整定，其整体结构图如图5 所示。
图5 调整PID 控制器结构图
在到达设定时间后将温湿度差规定值与反馈值的误差发送给灰狼优化算法整定各参数，并反馈给PID 控制器，由PID 控制器将重新计算监测信号，并输出给执行机构，来监测医疗设备温湿度是否达到设定值，以实现医疗设备温湿度实时监测。其具体地实现过程描述如下：
步骤1：初始化参数；
步骤2：确定PID 控制器的Kp、Ki、三个参数的变化范围；
步骤3：计算所有灰狼的适应度值，并选取最优值；
步骤4：进行适应度分析，记录下灰狼的最优位置X(t+1)；
式中，l为控制步长权重；Levi(⋅)为随机搜索路径。
步骤5：利用上述式(1)对每个粒子进行适应度评价，并引用贪婪选择策略来比较更新后位置结果与之前位置结果的适应度值，保留适应度值更优的解；
其中，Xnew(t)为最新更新位置结果；f(Xnew(t))为Xnew(t)的适应度值，f(X(t))为上一位置结果的适应度值。
步骤6：当达到最大迭代次数，则停止更新，输出最优解；否则返回第4 步。
由此，基于上述步骤，实现对PID 控制器参数整定，将整定后的参数结果反馈给PID 控制器，根据反馈的参数值，PID 控制器将重新计算控制信号，来监测医疗设备温湿度是否达到设定值，以实现医疗设备温湿度实时监测。
2 实验测试
Proteus 仿真软件是一种 EDA 软件工具，具有单片机及外围电路元器件的仿真功能，Proteus 在单片机仿真领域目前是最好的。它支持包括51 系列单片机在内的绝大多数处理器模型。因此本文使用 Proteus v7.8 SP2 软件工具对所设计的医疗设备温湿度实时监测系统进行仿真测试。在本次仿真中，为了能够及时地采集到人为改变的输入温湿度数据，因此对温湿度的采样周期设定为2ms，在实际使用中，考虑到温湿度参数具有大时滞性，不会发生忽高忽低的情况，可将采样周期调整到2min。其测试相关参数设置如表1 所示。
表1 参数设置
在上述设置的基础上，将文献[2]中的系统作为对比系统，选取监测误差和监测效率作为测试指标，与所设计系统展开对比测试，实现对所设计系统的有效性验证。首先随两个系统的监测误差进行测试，其误差越小，说明其监测准确性越高，测其测试结果如表2 所示。
表2 监测误差结果对比
根据表2 所得结果可知，所设计系统对医疗设备温度实时监测误差始终维持在0.4℃以下，其湿度监测误差始终维持在0.4%RH 以下。而文献[2]中的系统医疗设备温度实时监测误差结果均在4 以上。由此说明，采用所设计系统进行医疗设备温度实时监测，其监测误差较小，具有较高的监测准确性。
接下来，在上述测试的基础上，展开所设计系统和文献[2]中系统的监测效率测试，该测试用控制耗时进行评估，耗时越短，其控制效率越高。则测试结果如表3 所示。
表3 控制耗时结果对比
根据表3 所得结果可知，随着设备数量的增加，所设计系统对医疗设备温湿度实时监测耗时始终维持在3s 以下，其耗时较短。而文献[2]中的系统的医疗设备温湿度实时监测耗时结果，始终高于所设计系统的监测耗时。由此说明，采用所设计系统进行医疗设备温湿度实时监测，具有较高的监测效果。
3 结论
为了提高医疗设备温湿度实时监测准确性，提出基于单片机的医疗设备温湿度实时监测系统设计。将AT89S51 单片机为核心，对系统硬件进行了设计，其中包括智能监控点结构设计、复位电路设计、RS-485 串行通讯设计、温湿度传感器选择四部分。然后，系统软件部分采用PID 控制器设计，并采用灰狼优化算法寻优参数，基于此PID 控制器输出信号给单片机，来监测医疗设备温湿度是否达到设定值，以实现医疗设备温湿度实时监测。结果表明，所设计系统具有较低的监测误差，且可有效缩短监测耗时，具有可靠性。
