第一節(jié) 產(chǎn)品技術發(fā)展現(xiàn)狀
1、傳感器技術現(xiàn)狀
1）微型傳感器研發(fā)現(xiàn)狀
目前，幾乎所有的傳感器都在由傳統(tǒng)的結構化生產(chǎn)設計向基于計算機輔助設計（CAD）的模擬式工程化設計轉變，從而使設計者們能夠在較短的時間內設計出低成本、高性能的新型系統(tǒng)，這種設計手段的巨大轉變在很大程度上推動著傳感器系統(tǒng)以更快的速度向著能夠滿足科技發(fā)展需求的微型化的方向發(fā)展。
對于微機電系統(tǒng)（MEMS）的 研究 工作始于20世紀60年代，其 研究 范疇涉及材料科學、機械控制、加工與封裝工藝、電子技術以及傳感器和執(zhí)行器等多種學科，是一個極具前景的新興 研究 領域。MEMS的核心技術是 研究 微電子與微機械加工與封裝技術的巧妙結合，期望能夠由此而制造出體積小巧但功能強大的新型系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，尤其最近十多年的 研究 與發(fā)展，MEMS技術已經(jīng)顯示出了巨大的生命力，此項技術的有效采用將信息系統(tǒng)的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一個新的高度。
在當前技術水平下，微切削加工技術已經(jīng)可以生產(chǎn)出來具有不同層次的3D微型結構，從而可以生產(chǎn)出體積非常微小的微型傳感器敏感元件，象毒氣傳感器、離子傳感器、光電探測器這樣的以硅為主要構成材料的傳感/探測器都裝有極好的敏感元件。目前，這一類元器件已作為微型傳感器的主要敏感元件被廣泛應用于不同的 研究 領域中。由計算機輔助設計（CAD）技術和微機電系統(tǒng)（MEMS）技術引發(fā)的傳感器研發(fā)制造已經(jīng)進入微型化時代。
2）智能化傳感器
目前，智能化傳感器技術正處于蓬勃發(fā)展時期，具有代表意義的典型產(chǎn)品是美國霍尼韋爾公司的ST-3000系列智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器，以及另外一些含有微處理器（MCU）的單片集成壓力傳感器、具有多維檢測能力的智能傳感器和固體圖像傳感器（SSIS）等。與此同時，基于模糊理論的新型智能傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡技術在智能化傳感器系統(tǒng)的 研究 和發(fā)展中的重要作用也日益受到了相關 研究 人員的極大重視。
需要特別指出的一點是：目前的智能化傳感器系統(tǒng)本身盡管全都是數(shù)字式的，但其通信協(xié)議卻仍需借助于4～20mA的標準模擬信號來實現(xiàn)。一些國際性標準化 研究 機構目前正在積極 研究 推出相關的通用現(xiàn)場總線數(shù)字信號傳輸標準；不過，在眼下過渡階段仍大多采用遠距離總線尋址傳感器（HART）協(xié)議，即Highway Addressable Remote Transducer。這是一種適用于智能化傳感器的通信協(xié)議，與目前使用4～20mA模擬信號的系統(tǒng)完全兼容，模擬信號和數(shù)字信號可以同時進行通信，從而使不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品具有通用性。
目前，智能化傳感器多用于壓力、力、振動沖擊加速度、流量、溫濕度的測量，如美國霍尼韋爾公司的ST3000系列全智能變送器和德國斯特曼公司的二維加速度傳感器就屬于這一類傳感器。另外，智能化傳感器在空間技術 研究 領域亦有比較成功的應用實例。
3）多功能傳感器
從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，最熱門的 研究 領域也許是各種類型的仿生傳感器了，而且在感觸、刺激以及視聽辨別等方面已有最新 研究 成果問世。從實用的角度考慮，多功能傳感器中應用較多的是各種類型的多功能觸覺傳感器，譬如人造皮膚觸覺傳感器就是其中之一，這種傳感器系統(tǒng)由PVDF材料、無觸點皮膚敏感系統(tǒng)以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺傳感器等組成。據(jù)悉，美國MERRITT公司研制開發(fā)的無觸點皮膚敏感系統(tǒng)獲得了較大的成功，其無觸點超聲波傳感器、紅外輻射引導傳感器、薄膜式電容傳感器、以及溫度、氣體傳感器等在美國本土應用甚廣。
與其它方面的 研究 成果相比，目前在人工嗅覺方面的 研究 還似乎遠遠不盡人意。由于嗅覺元件接收到的判別信號是非常復雜的，其中總是混合著成千上萬種化學物質，這就使得嗅覺系統(tǒng)處理起這些信號來異常錯綜復雜。
人工嗅覺傳感系統(tǒng)的典型產(chǎn)品是功能各異的Electronicnose（電子鼻），近10多年來，該技術的發(fā)展很快，目前已有數(shù)種商品化的產(chǎn)品在國際市場流通，美、法、德、英等國家均有比較先進的電子鼻產(chǎn)品問世。
“電子鼻”系統(tǒng)通常由一個交叉選擇式氣體傳感器陣列和相關的數(shù)據(jù)處理技術組成，并配以恰當?shù)哪Ｊ阶R別系統(tǒng)，具有識別簡單和復雜氣味的能力，主要用來解決一般情況下的氣味探測問題。根據(jù)應用對象的不同，“電子鼻”系統(tǒng)傳感器陣列中傳感器的構成材料及配置數(shù)量亦有所不同，其中，構成材料包括金屬氧化物半導體、導電聚合物、石英晶振等，配置數(shù)量則從幾個到數(shù)十個不等。
總之，“電子鼻”系統(tǒng)是氣體傳感器技術和信息處理技術進行有效結合的高科技產(chǎn)物，其氣體傳感器的體積很小，功耗也很低，能夠方便地捕獲并處理氣味信號。氣流經(jīng)過氣體傳感器陣列進入到“電子鼻”系統(tǒng)的信號預處理元件中，最后由陣列響應模式來確定其所測氣體的特征。陣列響應模式采用關聯(lián)法、最小二乘法、群集法以及主要元素 分析 法等方法對所測氣體進行定性和定量鑒別。
美國Cyrano-sciences公司生產(chǎn)的Cyranose320電子鼻是目前技術較為先進、適用范圍也比較廣的嗅覺傳感系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)主要由傳感器陣列和數(shù)據(jù) 分析 算法兩部分組成，其基本技術是將若干個獨特的薄膜式碳-黑聚合物復合材料化學電阻器配置成一個傳感器陣列，然后采用標準的數(shù)據(jù) 分析 技術，通過 分析 由此傳感器陣列所收集到的輸出值的辦法來識別未知 分析 物。據(jù)稱，Cyranose320電子鼻的適用范圍包括食品與飲料的生產(chǎn)與保鮮、環(huán)境保護、化學品 分析 與鑒定、疾病診斷與醫(yī)藥 分析 以及工業(yè)生產(chǎn)過程控制與消費品的監(jiān)控與管理等。
4）傳感器網(wǎng)絡 研究 熱點問題和關鍵技術
傳感器網(wǎng)絡以應用為目標，其構建是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及到的 研究 工作和需要解決的問題在每一個層面上都很多。對無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構及界面接口技術的 研究 意義重大。如果我們把傳感器網(wǎng)絡按其功能抽象成五個層次的話，將會包括基礎層（傳感器集合）、網(wǎng)絡層（通信網(wǎng)絡）、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應用開發(fā)層。
其中，基礎層以 研究 新型傳感器和傳感系統(tǒng)為核心，包括應用新的傳感原理、使用新的材料以及采用新的結構設計等，以降低能耗、提高敏感性、選擇性、響應速度、動態(tài)范圍、準確度、穩(wěn)定性以及在惡劣環(huán)境條件下工作的能力。
2、輸液泵/注射泵集中控制系統(tǒng)
1）系統(tǒng)結構和工作原理
輸液泵/注射泵集中控制系統(tǒng)由智能單泵系統(tǒng)、隔離CAN中繼器、上位計算機、CAN通訊卡等組成，它的組成結構如下圖所示。智能單泵系統(tǒng)是系統(tǒng)構成的基礎，它完成普通注射泵/輸液泵的功能，并通過CAN接口與計算機相連。雖然該模塊是系統(tǒng)的一個組成部分，但它也可以獨立工作。由于系統(tǒng)對上位計算機的可靠性要求較低，因此上位機可采用普通的PC機來代替工業(yè)控制計算機，降低了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)工作時，首先上位機將各輸液參數(shù)通過CAN總線發(fā)送給相應的單泵系統(tǒng)，單泵系統(tǒng)將接收到的各設定值保存在電可擦除可編程只讀存儲器（electrically erasable programmable read-only memory ， EEPROM），這樣在不更新設置的情況下，單泵系統(tǒng)可脫離上位計算機而獨立工作。單泵系統(tǒng)的啟停等操作可通過自己的操作面板進行控制，也可在上位計算機上進行控制。各單泵系統(tǒng)與上位計算機之間通過CAN現(xiàn)場總線通訊。與其他網(wǎng)絡不同，在CAN總線的通訊協(xié)議中，無節(jié)點地址的概念，也無任何與節(jié)點地址相關的信息存在。它支持的是基于數(shù)據(jù)的工作方式，即CAN總線面向的是數(shù)據(jù)而不是節(jié)點，因此加人或撤消節(jié)點設備都不會影響網(wǎng)絡的工作。這樣的結構十分適用于控制系統(tǒng)要求快速、可靠、簡明的特點。系統(tǒng)中的上位計算機主要完成人機對話和系統(tǒng)監(jiān)控功能，如各單泵系統(tǒng)的輸液量、輸液速度、輸液曲線，報警限的設定等。
單泵系統(tǒng)結構圖
2）單泵系統(tǒng)的硬件設計
單泵系統(tǒng)采用PIC18F458單片機控制，由電源電路、報警電路、顯示電路、CAN接口電路、鍵盤輸入、電機驅動電路等組成。其硬件組成如下圖所示。其中CAN通訊接口電路主要由高速CAN收發(fā)器MCP2551構成。其業(yè)界標準引腳和功能使其可用于已有高速CAN收發(fā)器中，同時提供改進性能，如更寬的瞬變電壓和短路電壓范圍以及更短的傳播延遲。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，PIC18F458的兩個CAN通訊引腳（CANTX和CANRX）通過高速光禍后與MCP2551相連，這就能較好地實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。
單泵系統(tǒng)硬件連接圖
3）單泵系統(tǒng)的軟件設計
單泵系統(tǒng)軟件的程序采用匯編語言編程，包括初始化程序、獨立輸液工作模塊和聯(lián)機工作模式三部分。初始化程序主要完成各端口的初始化、CAN通訊接口初始化。其中CAN通訊接口初始化包括CAN工作方式的配置，接收濾波器的設置，接收屏蔽寄存器的設置，波特率參數(shù)設置，發(fā)送優(yōu)先級和中斷允許寄存器的設置等。
獨立工作模式主要實現(xiàn)單泵系統(tǒng)的參數(shù)實時顯示、各參數(shù)的設定（通過本地鍵盤）、超限報警處理等功能。當單泵系統(tǒng)工作于此模式時，一方面根據(jù)EEPROM中保存的設置值（上次工作時設定的值或本次通過鍵盤設定的值）進行運行，同時，每次循環(huán)向上位監(jiān)控計算機發(fā)送一次聯(lián)機請求，如果聯(lián)機成功，則進人聯(lián)機工作模式，否則仍然工作于獨立工作模式。
聯(lián)機工作模式除了完成獨立工作模式各項功能以外，還能與上位監(jiān)控計算機進行實時通訊，完成各參數(shù)的遠程設定、各執(zhí)行參數(shù)的手動遠程設置、將采集的數(shù)據(jù)上傳等工作。其流程如下圖所示。
聯(lián)機工作模式流程
4）上位機監(jiān)控軟件設計
輸液/注射泵集中控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控軟件采用Visual C十+語言編寫而成川。程序分為三個基本模塊：主監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理和顯示模塊、通訊模塊。主監(jiān)控模塊的功能：系統(tǒng)運行的初始化配置，如各個下位單泵系統(tǒng)的參數(shù)設置等。數(shù)據(jù)管理和顯示模塊：對各單泵的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行顯示更新、報警等。通訊模塊的功能：利用網(wǎng)卡及其函數(shù)庫，實現(xiàn)與各單泵系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊，完成通訊命令數(shù)據(jù)的編解碼及特殊處理，向主監(jiān)控模塊提供一個通訊對象。
5）CAN通訊應用層協(xié)議
應用層協(xié)議是CAN網(wǎng)絡應用的關鍵，我們在該系統(tǒng)上位監(jiān)控計算機與單泵系統(tǒng)之間的通訊中，制訂了切實可行的用戶層通訊協(xié)議。系統(tǒng)通訊報文采用擴展幀格式，通訊協(xié)議采用“ID+輔助標識碼+命令十數(shù)據(jù)”的形式，其中ID為網(wǎng)絡節(jié)點標識符，采用ID.0-ID.12（共13位）。標識符ID.14-I1）.20（共8位）作為輔助標識碼，當數(shù)據(jù)是多幀報文時，被用作數(shù)據(jù)索引號；標識符ID.21-ID.28（共8位）作為命令操作碼，ID.14-I1）.28不參與驗收濾波。
第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程
1、精度高，最低0.1ml/h增量，能適用所有標準輸液器。
2、獨特的輸液器校準功能，能使輸液精度達到±3%以下。
3、毫升/小時與滴數(shù)/分鐘單位自動轉換。
4、KVO速率達1ml/h。
5、電源電子開關控制，更好保護機器并延長電池壽命。
6、充電智能管理使電池保持最佳狀態(tài)，電壓適用范圍廣（90～250V），自動切換電池供電，安全可靠。
7、機器故障自檢功能：電池損壞/容量不足、泵體異常、電機異常、點滴傳感器脫落/異常等。
8、安全性報警，如暫停超時、空瓶、漏液、氣泡（無過敏報警現(xiàn)象）、阻塞（8檔靈敏度調節(jié)）、欠壓、開門等聲光報警。
第三節(jié) 國內外技術未來發(fā)展趨勢 分析
醫(yī)院輸液觀察室全面推廣的輸液監(jiān)護系統(tǒng)的整體設計方案：以單片機技術結合紅外技術低成本實現(xiàn)智能輸液系統(tǒng)，同時輸液時不再使用專用膠管，降低了輸液的成本。并且根據(jù)輸液時液滴速度快慢與空瓶、阻塞、漏液、速度失控之間的關系，省去了目前同類輸液設備中普遍采用的壓力傳感器測量阻塞和漏液信息的方法，降低了成本，但是這一功能仍然還存在，仍然可以識別阻塞與泄漏。既節(jié)約成本，又簡化了電路。
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