基于GSM网络的磁共振二级冷却水温度监测报警系统设计与应用研究.pdf

维修工程ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 191中国医学装备2023年8月第20卷第8期 China Medical Equipment 2023 August Vol.20 No.8首都医科大学附属北京天坛医院总务与规划建设处 北京 100070作者简介：刘立喜，男，(1983-)，硕士，助理工程师，从事医院设备管理、医院基础运行管理和医院后勤服务管理工作。文章编号 1672-8270(2023)08-0191-04 中图分类号 R445.2 R197.39 文献标识码 BDesign and realization of an alarm system of temperature monitoring of the secondary cooling water of the magnetic resonance based on GSM network/LIU Li-xi,DI You-li,WANG Yang-jun/China Medical Equipment,2023,20(8):191-194.Abstract To design an alarm system of temperature monitoring of the secondary cooling water of the magnetic resonance based on the Global System for Mobile Communications(GSM)network,which can realize alarm for the sudden failure of equipment through real-timely monitors the temperature and reserves of the secondary cooling water of the magnetic resonance within 24 h.The system hardware is composed of temperature sensor DS18B20,wireless communication module TC35 and STC89C52 high-performance CMOS 8-bit microcontroller.The short massage of alarm is sent to the preset mobile phone by wireless communication module that is controlled by microcontroller when the temperature prober find the water temperature that exceeded the standard.This system successfully realized the alarm function for temperature and reserves of cooling water in the experiment about effectiveness.After it was actually used in the monitoring,it could successfully identify the status of failure of equipment,and could effectively ensure the normal operation of the equipment.Key words Global System for Mobile Communications(GSM);Temperature alarm;MicrocontrollerFirst-authors address Department of General Affairs,Planning and Construction,Beijing Tiantan Hospital,Capital Medical University,Beijing 100070,China.摘要 基于全球移动通信系统(GSM)网络，设计磁共振二级冷却水温度监测报警系统，通过24 h实时监测磁共振二级冷却水温度及储量，实现设备突发故障报警。系统硬件由温度传感器DS18B20、无线通信模块TC35、STC89C52高性能CMOS 8位单片机组成。当温度探头监测到水温超标时，由单片机控制无线通信模块向预设手机发出报警短信，该系统在有效性实验中成功实现冷却水温度及储量报警功能。实际投入使用后，成功识别设备故障状态，有效保证了设备的正常运行。关键词 全球移动通信系统(GSM)；温度报警；单片机；磁共振(MR)DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2023.08.040引用本文：刘立喜,邸友利,王延军.基于GSM网络的磁共振二级冷却水温度监测报警系统设计与应用研究J.中国医学装备,2023,20(8):191-194.刘立喜 邸友利 王延军 基于GSM网络的磁共振二级冷却水温度监测报警系统设计与应用研究磁共振设备是保证临床诊疗工作顺利开展所必不可少的重要影像设备1-3。磁共振设备故障停机，不但影像医院临床诊疗工作的正常开展，还可能产生昂贵的维修费用，因此。保证磁共振设备稳定运行，是设备保障工作的重点内容4-7。水冷系统是磁共振设备重要的辅助设施，水冷系统的正常工作是保障磁共振设备稳定运行的必要条件8-10。首都医科大学附属北京天坛医院于2012年配置Discovery MR750型超导磁共振设备(美国GE公司)，该设备采用二级水冷系统设计，其二级水冷系统中，为梯度系统设置了单独的冷却水水箱。自启用设备以来，发生过由于二级水冷水泵损坏导致冷却水泄漏的故障，引起了磁共振设备停机。为了更好的监测二级冷却水的温度以及储量，以达到第一时间发现故障并采取相关措施的目的，设计一种基于全球移动通信系统(global system for mobile communications，GSM)的温度监测报警系统，用于防止因水温过高、冷却水泄漏引起的磁共振设备停机及其他可能的故障。1 二级冷却水温度监测报警系统设计方案Discovery MR750型超导磁共振设备配有独立的热交换系统柜(heat exchange cabin，HEC)，该系统柜内设有2个二级冷却水水箱，其中一个冷却水水箱用于储存为梯度线圈降温的冷却用水。水箱内的冷却水通过水泵被送往梯度线圈带并走热量，在通过热交换器时与来自室外冷水机的一级冷却水进行热交换，之后返回水箱形成回路。在对设备机房的每日巡检工作中，工程师会检查二级冷却水水温、冷却水液面高度及水泵运转状态。但由于机房属于无人值守房间，维修工程192 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI无法随时监控设备运行状态，一旦在巡检间隙发生水冷机或水泵故障，则可能会因冷却水水温过高或流量不足导致设备无法正常扫描。温度监测报警系统的温度探头固定于水箱内部的特定高度并持续对水温进行测量，实际情况下，有两类情况可造成水温过高报警。一类由于冷却水温度发生变化，如室外一级冷水机停机造成二级冷却水温度过高；另一类由于冷却水水位发生变化，如当水泵发生泄漏导致冷却水液面下降至低于温度探头的高度时，也可引起探头所测温度高于上限。因此，该种设计可以同时达到对水温异常和水位异常这两种情况进行监控的目的。梯度线圈二级水冷及温度监控流程见图1。中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于GSM网络的磁共振二级冷却水温度监测 报警系统设计与应用研究-刘立喜 等图1 梯度线圈二级水冷及温度监控流程图温度监控报警系统主要由温度传感器、无线通信模块及高性能单片机组成。通过主控单片机STC89C52接收来自温度探头的数据，并在需要报警时控制TC35模块向手机发送报警短信，温度监控报警系统的设计结构见图2。图2 温度监控报警系统结构图2 二级冷却水温度监测报警系统硬件设计2.1 温度传感器DS18B20DS18B20单总线数字温度传感器(美国DALLAS公司)具有适用电压宽和抗干扰能力强等特点，适用于恶劣环境的现场温度测量，主要包括64位只读存储器(read-only memory，ROM)和单总线端口、存储器和逻辑控制、存放中间数据的暂存器、温度传感器、报警上限寄存器、报警下限寄存器、配置寄存器以及8位循环冗余校验码(cyclic redundancy check，CRC)发生器。为达到防水防潮目的，温度探头外壳为不锈电源，数据总线(digital wueue，DQ)通过10 k上拉电阻后接5 V电源，电线接地端引脚接地。DS18B20电路接线见图3。同时，DQ与主控单片机的P00口相连以传输温度数据。DS18B20单总线数字温度传感器内部结构见图4。图3 DS18B20电路接线图图4 DS18B20内部结构框图2.2 无线通信模块TC35GSM采用数字通信技术和统一的网络标准，面向公众提供移动通信服务，由于采用高效调制器、通信编码、交织以及均衡等技术，GSM具有频谱效率高和组织结构灵活方便等特点。短信服务作为GSM网络的一种基本业务，在远程无线监控系统和数据采集系统等领域得到了广泛应用。TC35是西门子推出的一款无线通信模块，具有功耗低、设计紧凑以及易于集成等特点。该模块内置基带处理器和射频模块，支持900 MHz和1 800 MHz两个频段，可快速、可靠、安全的传输数据、语音和短消息，同时具有AT命令集接口，方便用户的应用开发及设计。TC35模块与主控单片机通过串口进行通讯，两个串口之间的连线为3-2、2-3和5-5，三线制连接，TC35模块的传输数据(transmit data，TXD)、维修工程ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI 193中国医学装备2023年8月第20卷第8期 基于GSM网络的磁共振二级冷却水温度监测 报警系统设计与应用研究-刘立喜 等接收数据(receive data，RXD)引脚分别与MAX232模块的T2IN、R2OUT引脚相连，而STC89C52的P30、P31引脚分别与MAX232模块的R2OUT、T2IN引脚相连。串口连接见图5。2.3 微控制器STC89C52STC89C52(中国STC公司)是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(flash programable and erasable read only memory，FPEROM)。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但其很多改进使芯片具有传统51单片机不具备的功能。STC89C52标准功能有512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4 KB电可擦写可编程只读存储器(electrically erasable programmable read only memory，EEPROM)，MAX810复位电路，3个16位定时器和(或)计数器，4个外部中断，1个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。3 二级冷却水温度监测报警系统软件设计系统上电启动后先对串口进行初始化，从而建立STC89C52与TC35之间的数据通道。之后对温度传感器DS18B20进行初始化，当单片机检测到来自DS18B20的“存在”信号后，执行温度读取函数以不断测量冷却水温度。在取得温度值后，执行判断程序，如温度低于报警上限，则继续循环测量温度，当温度超过上限时，STC89C52将向TC35发出一连串AT指令，从而完成填写目的手机号、本地短信中心号和短息内容等工作，并最终发出报警短信。在短息发送成功后，系统会进入等待状态，直到设备维护人员到场后对设备进行复位后，再次开始监测温度。系统软件流程设计见图6。图5 串口连接原理图图6 系统软件流程图4 二级冷却水温度监测报警系统有效性实验效果4.1 有效性实验为了测试监测报警系统的功能，设计了有效性实验。实验采用小型水箱模拟磁共振设备二级冷却水箱，水箱上端设置开放式注水口，下端设置出水阀门，设置小型水泵及水管用于向水箱内注水。同时，为模拟冷却水高温状态，在水箱中安装加热装置。实验时先开启水泵向水箱内注入一定量的温度低于监测系统报警限的冷水，随后将监测报警系统的温度探头置于水箱内部并开启系统。模拟第一种设备故障状态时，通过开启加热装置使水箱内水温升高，记录监控报警系统的运行状态，检验系统是否能在水温超过报维修工程194 ZHONGGUOYIXUEZHUANGBEI警限后正常报警并通知维护人员。模拟第二种设备故障状态时，开启出水阀使水箱内水位低于温度探头的位置，记录监控报警系统的运行状态，检验系统是否能在水箱内水位过低时正常报警并通知维护人员。采用上述实验方法，选取不同日期、不同时间点对监测报警系统进行了总计20次测试。所有测试的监测报警系统均正常工作。4.2 应用效果在对温度监测报警系统进行有效性实验后，将该系统安装于磁共振设备的机柜内部，经过近3个月的实际运行后，磁共振设备维护人员接到监测报警系统发送的报警信息见图7。当维护人员到达现场时，发现由于二级水冷水泵故障导致磁共振设备冷却水泄露，冷却水箱内的水位已经低于温度探头。由此证明温度监测报警系统有效实现了故障报警功能。图7 监测报警信息示图5 讨论所设计的温度监测报警系统结构较为简洁，仅包括温度传感器、控制核心、无线通信模块3个部分，在满足设计需求的同时尽量缩小了设备的体积。系统在实际运行之初，无线通信模块安装于磁共振设备机柜内部，为保证GSM信号稳定，将天线引出至机柜外部。经测试发现由于磁共振设备机柜位于设备机房角落，GSM信号不够稳定，因此将天线进一步延长至设备机房入口处，从而改善了GSM信号质量。温度监测报警系统总用电量不高，但要求电源有较高的稳定性，能够满足长期24 h不间断运行的要求，因此选用了性能较为稳定的开关电源为系统供电。目前，该系统也存在一些不足，主要体现在监测数据较为单一，在未来的研究工作中可对系统做进一步开发，如增加机房相对湿度监测和机房烟雾监测等新功能，从而更好的监控设备运行状态及运行环境，在发生突发事件时便于工程师及时赶到机房进行处理。同时，在未来的研究中，还可对本系统硬件进行升级，如选用性能更高的处理芯片，增加无线网络传输模块等，使系统能够完成更多的监测任务并具备多种信息传输功能，从而提升系统的可用性。6 结论磁共振设备的正常运行，依赖于各种辅助设备的稳定工作。通过设计温度监测报警系统可对磁共振水冷系统进行24 h不间断监测，从而更好的提高磁共振设备的可用性与安全性。采用基于GSM网络的短息报警方式，使报警信号的传输具有很高的可靠性与很广的传输范围。在实际使用中，温度监测报警系统运行良好，温度检测精度较高，为医院工程师提供了重要的设备状态信息，保障设备的正常使用。温度监测报警系统还可用于监测机房环境温度等，具有较高的可移植性。参考文献 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