基于无线以太网的呼吸机的研究与设计
基于无线以太网的呼吸机的研究与设计[20191213105609]
摘 要
随着科学的发展以及人体认识水平的提高，医学科学家们发现只要重视且采取及时的治疗，人们是可以预防并控制打呼噜对人体带来的伤害，睡眠呼吸机由此产生。它对提高医疗技术水平,造福患者,必将产生积极的影响。
论文针对睡眠呼吸暂停综合症，了解了患者对睡眠呼吸机的需求，研究了睡眠呼吸机提供氧气的速率、如何控制等问题，提出了可以利用无线以太网进行实时监控的方案，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于Keil的嵌入式软件平台以及基于数据库和C#的软件设计平台，实现了对对患者呼吸频率以及提供氧气速率的实时监控的功能，硬件主要分为MCU最小系统模块，AD转换模块，显示模块，串口通信模块，WiFi模块以及电机驱动模块等，软件主要分为嵌入式软件以及监控软件等，经实验测试，达到了对睡眠呼吸机的供氧速率，患者的呼吸频率的实时监控，并进行记录传输等目的，达到了课题开始时的预期效果。
本课题综合应用了计算机技术，单片机技术，嵌入式技术，通信技术以及自动控制技术等，实现了对患者的呼吸频率，供氧速率的监控，然后通过串口通信模块或者WiFi模块，将数据传输到PC机上，然后绘制成图并存入数据库等功能，达到了对患者睡眠呼吸暂停综合症进行监控的效果。该设计对其它同类产品具有一定的参考价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:睡眠呼吸机;呼吸频率;控制;无线以太网
Key words：Remstar auto cpap flex; Respiratory Rate ; Control ; WiFi目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1论文选题来源及意义 1
1.2呼吸机研究现状 2
1.2.1呼吸机的分类 2
1.2.2呼吸机国内外发展现状 3
1.3课题研究内容 3
1.3.1课题主要研究内容 3
1.3.2 无线以太网 4
1.4本章小结 5
第2章 呼吸机工作原理研究及总体设计 6
2.1呼吸机的作用、原理研究及功能 6
2.1.1呼吸机的作用 6
2.1.2呼吸机的原理 6
2.1.3呼吸机的功能 6
2.2呼吸机硬件总体设计 7
2.3呼吸机软件总体设计 7
2.4本章小结 9
第3章 呼吸机硬件设计 10
3.1 MCU最小系统模块 10
3.1.1 89C51单片机工作原理 10
3.1.2单片机最小系统设计 13
3.2 AD转换模块设计 14
3.2.1 PCF8591P的运用 14
3.2.2 AD转换模块原理研究 15
3.2.3 AD转换模块电路设计 16
3.3显示模块设计 16
3.3.1共阴极数码管 16
3.3.2显示模块电路设计 17
3.4串口通信模块设计 18
3.4.1 MAX232的运用 18
3.4.2 RS232通信原理研究 18
3.4.3串口通信模块电路设计 20
3.5 WiFi模块设计 20
3.5.1 WiFi模块 20
3.5.2 WiFi模块主要功能 22
3.6电机驱动模块设计 23
3.7本章小结 24
第4章 呼吸机嵌入式软件设计 25
4.1嵌入式软件平台 25
4.1.1 Keil C51开发系统基本知识 25
4.1.2 Keil C51开发系统优点 25
4.2 AD转换模块设计 26
4.2.1 AD转换模块工作原理研究 26
4.2.2 AD转换模块程序设计 27
4.3显示模块设计 27
4.3.1显示模块工作原理研究 27
4.3.2显示模块程序设计 27
4.4串口通信模块设计 28
4.4.1串口通信模块工作原理研究 28
4.4.2串口通信模块程序设计 28
4.5 WiFi模块设计 29
4.6本章小结 30
第5章 监控软件设计 31
5.1 C#软件平台研究 31
5.1.1 C#软件平台简介 31
5.1.2设计目标 31
5.1.3语言结构 32
5.1.4程序执行 33
5.2 C#串口模块设计 34
5.3数据库模块设计 34
5.3.1数据库应用 34
5.3.2数据库模块程序设计 36
5.4软件GUI模块设计 37
5.4.1 ZedGraph简介 37
5.4.2 ZedGraph的程序设计 37
5.5网络通信模块设计 37
5.5.1套接字（Socket）的作用 37
5.5.2客户端和服务器程序设计 38
5.6本章小结 39
第6章 整机调试 40
6.1呼吸机系统硬件调试 40
6.2呼吸机系统软件调试 40
6.2.1设置观察变量 40
6.2.2设置断点 40
6.2.3特殊功能寄存器 42
6.3呼吸机系统调试过程 43
6.4调试结果 44
6.5本章小结 45
第7章 总结与展望 46
7.1总结 46
7.2展望 46
参考文献 47
致 谢 50
附 录 部分源程序 51
第1章 绪论
1.1论文选题来源及意义
在现代医学中，睡眠呼吸暂停综合症，要接受适当的治疗。如果长时间的不予治疗，会引发心脑血管（如图1.1）能帮助人们解决这个问题，近20年来，睡眠呼吸机的发展非常迅速，睡眠呼吸机的发展将朝着更好的完成通气效果、令人更舒适、更可靠的方向发展。
呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功能消耗，节约心脏储备能力的装置。睡眠呼吸机通过给定的压力，持续不断为患者提供氧气，以此来改善患者睡眠时缺氧问题。睡眠呼吸机主要治疗睡眠呼吸暂停综合症，也就是重度打鼾，并伴有憋气症状。它可以治疗睡眠呼吸暂停综合症的并发症。提高夜间睡眠时血氧浓度，治疗低氧血症。
该课题根据实时采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、显示接口电路、串口通信电路等，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制，并通过串口或者无线以太网将数据发送到PC机上，PC机接收到数据的同时，将数据绘制成图，然后把数据存入数据库中，需要时打开连接，将数据发送到另一台PC机上。
图1.1 睡眠呼吸机
1.2呼吸机研究现状
1.2.1呼吸机的分类
呼吸机可分为定压型、定容型和定时型三大类。呼吸机的类型与呼吸机切换方式有关，大致上可分为压力切换、容量切换、时间切换和流速切换等方式，现代多功能呼吸机往往采用两种以上的混合切换方式。
1.压力切换
当呼吸机送气量达到预定气道压峰值时，吸气终止而转为呼气。在呼气末当压力降至零或负压或预定压力时又转为呼气。由于压力以外的参数如潮气量、吸气时间、吸气流速等都是可变的，很多病变均可影响气道阻力，所以压力切换有时不能保证潮气量和每分通气量。压力切换与气流速度有关（即压力低，流速快则吸气期短，潮气量小，反之流速慢，预定压力高，吸气时间长，潮气量大），其关系VT=P/Q（潮气量=压力/流速），在同样压力下，吸气时间越短，则潮气量越小，因而在呼吸道内大量分泌物，支气管痉挛，呼吸道阻力增加，通气量均相应减少，频率增快。
2.容量切换
?当呼吸机送气达到预定潮气量后，立即停止送气而转为呼气。容量切换呼吸机可保证潮气量和每分通气量，但当气流阻力增加和肺顺应性降低时，气道压力也将增加。使用时需密切监测气道压峰值，以防发生肺气压伤。适应于肺部广泛炎症、肺水肿、肺淤血等要求压力高通气量大的患者。目前国内外生产的多功能呼吸机大多是使用容量切换或以容量切换为主的混合性切换方式。
3.时间切换
?当吸气时间达到预定值后转为时间切换。气量的多少取决于吸气时间的长短和流量的大小（潮气量=吸气时间X吸气流速），大多以控制流速来调节潮气量。这种呼吸机吸气时间恒定，若肺顺应性、气道阻力发生变化时吸气压力、流速和潮气量也都将发生变化。因此时间切换呼吸机应使用于气道阻力和肺顺应性相对正常的病人。
4.流速切换
当吸气流速达到预定值时，吸气便转为呼气。这种切换形式的呼吸机较少。
1.2.2呼吸机国内外发展现状
我国呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971年制成电动时间切换定容呼吸机。直到20世纪90 年代中末期开始，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高。目前，国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。目前大部分关键元部件还是以“拿来主义”的方式为主。通气模式为长远的基本通气模式，基本上能够满足临床使用要求[1]。
随着科学的发展以及人体认识水平的提高，医学科学家们发现只要重视且采取及时的治疗，人们是可以预防并控制打呼噜对人体带来的伤害。?
1969年，德国人才应用气管切开术后治疗重症患者并取得良好效果。该手术在患者的颈部造口，直通气管，绕过了睡眠时易发生塌陷的咽喉气道，从根本上消除了呼吸暂停，但由于患者不能说话、易引起肺部感染等副作用，难以被广泛接受。
80年代以来，切除咽喉部解剖狭窄的一系列耳鼻喉科及口腔手术相继应用于临床，但适用范围不广，疗效有限。
?1981年，澳大利亚的沙利文教授发明了一种小型的睡眠呼吸机，夜间睡眠时通过一舒适的鼻面罩，将压缩空气送入患者的气道内，调节适当的压力来辅助患者的呼吸，即可防止气道的塌陷，副作用小，应用方便，有效率达90%以上。
近年来，呼吸机制造厂家为了更加适应临床医疗的需要，对呼吸机的内部结构、通气方式等方面进行了大量的改进，使之性能更加完善，更加安全可靠。
随着机型的不断改进，目前这种小型呼吸机日益完善，成为治疗该病的主要手段。现在国内已有同类产品，价格合理，适合中国国情，随着技术的不断完善，必将具有广阔的应用前景。
1.3课题研究内容
1.3.1课题主要研究内容
本课题主要针对睡眠呼吸机的供氧速率以及患者的呼吸频率的问题，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于Keil的嵌入式软件平台以及基于数据库和C#的软件设计平台，硬件主要分为MCU最小系统模块，AD转换模块，显示模块，串口通信模块，WiFi模块以及电机驱动模块等，软件主要分为嵌入式软件以及监控软件等，而嵌入式软件又分为AD转换模块，显示模块等，监控软件包括数据库模块，实时曲线显示模块，网络通信模块等。
1.3.2 无线以太网
本论文的无线以太网主要指WiFi的运用，WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网路通信技术的品牌，由WiFi联盟(WiFi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
1.特性
（1）更宽的带宽；
（2）更强的频射信号；
（3）WiFi功耗更低；
（4）改进的安全性；
（5）与非WiFi网络的协作；
（6）自我管理的客户端；
（7）改善的移动性；
（8）WiFi个人区域。
2.WiFi模块选择时应考虑的方面
（1）通信接口方面：2010年基本是采用USB接口形式，PCIE和SDIO的也有少部分，PCIE的市场份额应该不大，多合一的价格昂贵，而且实用性不强，集成的很多功能都不会使用，其实也是一种浪费；
（2）供电方面：多数是用5V直接供电，有的也会利用主板设计中的电源共享，直接采用3.3V供电；
（3）天线的处理形式：可以有内置的PCB板载天线或者陶瓷天线；也可以通过I-PEX接头，连接天线延长线，然后让天线外置。
（4）规格尺寸方面：这个可以根据具体的设计要求，最小的有nano型号(可以直接做nano无线网卡);有可以做到迷你型的12*12左右(通常是外置天线方式采用)；通常是25*12左右的设计多点(基本是板载天线和陶瓷天线多，也有外置天线接头)。
摘 要
随着科学的发展以及人体认识水平的提高，医学科学家们发现只要重视且采取及时的治疗，人们是可以预防并控制打呼噜对人体带来的伤害，睡眠呼吸机由此产生。它对提高医疗技术水平,造福患者,必将产生积极的影响。
论文针对睡眠呼吸暂停综合症，了解了患者对睡眠呼吸机的需求，研究了睡眠呼吸机提供氧气的速率、如何控制等问题，提出了可以利用无线以太网进行实时监控的方案，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于Keil的嵌入式软件平台以及基于数据库和C#的软件设计平台，实现了对对患者呼吸频率以及提供氧气速率的实时监控的功能，硬件主要分为MCU最小系统模块，AD转换模块，显示模块，串口通信模块，WiFi模块以及电机驱动模块等，软件主要分为嵌入式软件以及监控软件等，经实验测试，达到了对睡眠呼吸机的供氧速率，患者的呼吸频率的实时监控，并进行记录传输等目的，达到了课题开始时的预期效果。
本课题综合应用了计算机技术，单片机技术，嵌入式技术，通信技术以及自动控制技术等，实现了对患者的呼吸频率，供氧速率的监控，然后通过串口通信模块或者WiFi模块，将数据传输到PC机上，然后绘制成图并存入数据库等功能，达到了对患者睡眠呼吸暂停综合症进行监控的效果。该设计对其它同类产品具有一定的参考价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:睡眠呼吸机;呼吸频率;控制;无线以太网
Key words：Remstar auto cpap flex; Respiratory Rate ; Control ; WiFi目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1论文选题来源及意义 1
1.2呼吸机研究现状 2
1.2.1呼吸机的分类 2
1.2.2呼吸机国内外发展现状 3
1.3课题研究内容 3
1.3.1课题主要研究内容 3
1.3.2 无线以太网 4
1.4本章小结 5
第2章 呼吸机工作原理研究及总体设计 6
2.1呼吸机的作用、原理研究及功能 6
2.1.1呼吸机的作用 6
2.1.2呼吸机的原理 6
2.1.3呼吸机的功能 6
2.2呼吸机硬件总体设计 7
2.3呼吸机软件总体设计 7
2.4本章小结 9
第3章 呼吸机硬件设计 10
3.1 MCU最小系统模块 10
3.1.1 89C51单片机工作原理 10
3.1.2单片机最小系统设计 13
3.2 AD转换模块设计 14
3.2.1 PCF8591P的运用 14
3.2.2 AD转换模块原理研究 15
3.2.3 AD转换模块电路设计 16
3.3显示模块设计 16
3.3.1共阴极数码管 16
3.3.2显示模块电路设计 17
3.4串口通信模块设计 18
3.4.1 MAX232的运用 18
3.4.2 RS232通信原理研究 18
3.4.3串口通信模块电路设计 20
3.5 WiFi模块设计 20
3.5.1 WiFi模块 20
3.5.2 WiFi模块主要功能 22
3.6电机驱动模块设计 23
3.7本章小结 24
第4章 呼吸机嵌入式软件设计 25
4.1嵌入式软件平台 25
4.1.1 Keil C51开发系统基本知识 25
4.1.2 Keil C51开发系统优点 25
4.2 AD转换模块设计 26
4.2.1 AD转换模块工作原理研究 26
4.2.2 AD转换模块程序设计 27
4.3显示模块设计 27
4.3.1显示模块工作原理研究 27
4.3.2显示模块程序设计 27
4.4串口通信模块设计 28
4.4.1串口通信模块工作原理研究 28
4.4.2串口通信模块程序设计 28
4.5 WiFi模块设计 29
4.6本章小结 30
第5章 监控软件设计 31
5.1 C#软件平台研究 31
5.1.1 C#软件平台简介 31
5.1.2设计目标 31
5.1.3语言结构 32
5.1.4程序执行 33
5.2 C#串口模块设计 34
5.3数据库模块设计 34
5.3.1数据库应用 34
5.3.2数据库模块程序设计 36
5.4软件GUI模块设计 37
5.4.1 ZedGraph简介 37
5.4.2 ZedGraph的程序设计 37
5.5网络通信模块设计 37
5.5.1套接字（Socket）的作用 37
5.5.2客户端和服务器程序设计 38
5.6本章小结 39
第6章 整机调试 40
6.1呼吸机系统硬件调试 40
6.2呼吸机系统软件调试 40
6.2.1设置观察变量 40
6.2.2设置断点 40
6.2.3特殊功能寄存器 42
6.3呼吸机系统调试过程 43
6.4调试结果 44
6.5本章小结 45
第7章 总结与展望 46
7.1总结 46
7.2展望 46
参考文献 47
致 谢 50
附 录 部分源程序 51
第1章 绪论
1.1论文选题来源及意义
在现代医学中，睡眠呼吸暂停综合症，要接受适当的治疗。如果长时间的不予治疗，会引发心脑血管
呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功能消耗，节约心脏储备能力的装置。睡眠呼吸机通过给定的压力，持续不断为患者提供氧气，以此来改善患者睡眠时缺氧问题。睡眠呼吸机主要治疗睡眠呼吸暂停综合症，也就是重度打鼾，并伴有憋气症状。它可以治疗睡眠呼吸暂停综合症的并发症。提高夜间睡眠时血氧浓度，治疗低氧血症。
该课题根据实时采集数据和控制的需要，需设计模拟量采集接口电路、显示接口电路、串口通信电路等，完成对传感信号采集、处理、存储、显示及相关执行机构的控制，并通过串口或者无线以太网将数据发送到PC机上，PC机接收到数据的同时，将数据绘制成图，然后把数据存入数据库中，需要时打开连接，将数据发送到另一台PC机上。
图1.1 睡眠呼吸机
1.2呼吸机研究现状
1.2.1呼吸机的分类
呼吸机可分为定压型、定容型和定时型三大类。呼吸机的类型与呼吸机切换方式有关，大致上可分为压力切换、容量切换、时间切换和流速切换等方式，现代多功能呼吸机往往采用两种以上的混合切换方式。
1.压力切换
当呼吸机送气量达到预定气道压峰值时，吸气终止而转为呼气。在呼气末当压力降至零或负压或预定压力时又转为呼气。由于压力以外的参数如潮气量、吸气时间、吸气流速等都是可变的，很多病变均可影响气道阻力，所以压力切换有时不能保证潮气量和每分通气量。压力切换与气流速度有关（即压力低，流速快则吸气期短，潮气量小，反之流速慢，预定压力高，吸气时间长，潮气量大），其关系VT=P/Q（潮气量=压力/流速），在同样压力下，吸气时间越短，则潮气量越小，因而在呼吸道内大量分泌物，支气管痉挛，呼吸道阻力增加，通气量均相应减少，频率增快。
2.容量切换
?当呼吸机送气达到预定潮气量后，立即停止送气而转为呼气。容量切换呼吸机可保证潮气量和每分通气量，但当气流阻力增加和肺顺应性降低时，气道压力也将增加。使用时需密切监测气道压峰值，以防发生肺气压伤。适应于肺部广泛炎症、肺水肿、肺淤血等要求压力高通气量大的患者。目前国内外生产的多功能呼吸机大多是使用容量切换或以容量切换为主的混合性切换方式。
3.时间切换
?当吸气时间达到预定值后转为时间切换。气量的多少取决于吸气时间的长短和流量的大小（潮气量=吸气时间X吸气流速），大多以控制流速来调节潮气量。这种呼吸机吸气时间恒定，若肺顺应性、气道阻力发生变化时吸气压力、流速和潮气量也都将发生变化。因此时间切换呼吸机应使用于气道阻力和肺顺应性相对正常的病人。
4.流速切换
当吸气流速达到预定值时，吸气便转为呼气。这种切换形式的呼吸机较少。
1.2.2呼吸机国内外发展现状
我国呼吸机的研制起步较晚，1958年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1971年制成电动时间切换定容呼吸机。直到20世纪90 年代中末期开始，国产呼吸机的开发力度才有所加大，质量得到了普遍提高。目前，国产呼吸机在技术上大多数还处于借鉴和模仿国外产品技术，在功能质量方面，尤其是在可靠性上落后于国外发达国家。目前大部分关键元部件还是以“拿来主义”的方式为主。通气模式为长远的基本通气模式，基本上能够满足临床使用要求[1]。
随着科学的发展以及人体认识水平的提高，医学科学家们发现只要重视且采取及时的治疗，人们是可以预防并控制打呼噜对人体带来的伤害。?
1969年，德国人才应用气管切开术后治疗重症患者并取得良好效果。该手术在患者的颈部造口，直通气管，绕过了睡眠时易发生塌陷的咽喉气道，从根本上消除了呼吸暂停，但由于患者不能说话、易引起肺部感染等副作用，难以被广泛接受。
80年代以来，切除咽喉部解剖狭窄的一系列耳鼻喉科及口腔手术相继应用于临床，但适用范围不广，疗效有限。
?1981年，澳大利亚的沙利文教授发明了一种小型的睡眠呼吸机，夜间睡眠时通过一舒适的鼻面罩，将压缩空气送入患者的气道内，调节适当的压力来辅助患者的呼吸，即可防止气道的塌陷，副作用小，应用方便，有效率达90%以上。
近年来，呼吸机制造厂家为了更加适应临床医疗的需要，对呼吸机的内部结构、通气方式等方面进行了大量的改进，使之性能更加完善，更加安全可靠。
随着机型的不断改进，目前这种小型呼吸机日益完善，成为治疗该病的主要手段。现在国内已有同类产品，价格合理，适合中国国情，随着技术的不断完善，必将具有广阔的应用前景。
1.3课题研究内容
1.3.1课题主要研究内容
本课题主要针对睡眠呼吸机的供氧速率以及患者的呼吸频率的问题，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于Keil的嵌入式软件平台以及基于数据库和C#的软件设计平台，硬件主要分为MCU最小系统模块，AD转换模块，显示模块，串口通信模块，WiFi模块以及电机驱动模块等，软件主要分为嵌入式软件以及监控软件等，而嵌入式软件又分为AD转换模块，显示模块等，监控软件包括数据库模块，实时曲线显示模块，网络通信模块等。
1.3.2 无线以太网
本论文的无线以太网主要指WiFi的运用，WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网路通信技术的品牌，由WiFi联盟(WiFi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。
1.特性
（1）更宽的带宽；
（2）更强的频射信号；
（3）WiFi功耗更低；
（4）改进的安全性；
（5）与非WiFi网络的协作；
（6）自我管理的客户端；
（7）改善的移动性；
（8）WiFi个人区域。
2.WiFi模块选择时应考虑的方面
（1）通信接口方面：2010年基本是采用USB接口形式，PCIE和SDIO的也有少部分，PCIE的市场份额应该不大，多合一的价格昂贵，而且实用性不强，集成的很多功能都不会使用，其实也是一种浪费；
（2）供电方面：多数是用5V直接供电，有的也会利用主板设计中的电源共享，直接采用3.3V供电；
（3）天线的处理形式：可以有内置的PCB板载天线或者陶瓷天线；也可以通过I-PEX接头，连接天线延长线，然后让天线外置。
（4）规格尺寸方面：这个可以根据具体的设计要求，最小的有nano型号(可以直接做nano无线网卡);有可以做到迷你型的12*12左右(通常是外置天线方式采用)；通常是25*12左右的设计多点(基本是板载天线和陶瓷天线多，也有外置天线接头)。
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