Design of voice alarm system for ventilator

王東峰，王輝林
（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

       摘要：隨著人工智能和智慧醫(yī)療的興起，為了滿足當(dāng)前醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備智能化、人性化的發(fā)展需求，提出了以語
音合成為核心的呼吸機(jī)智能語音報(bào)警技術(shù)，將呼吸機(jī)的報(bào)警內(nèi)容通過真人語音的形式進(jìn)行播報(bào)。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試
并且與同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。語音報(bào)警信號(hào)相較于傳統(tǒng)的聽覺報(bào)警信號(hào)，更直觀、準(zhǔn)確、人
性化，符合智慧醫(yī)療的發(fā)展需求。由此可見，使用語音芯片合成語音報(bào)警信號(hào)的方法是完全可行的，該設(shè)計(jì)也
可應(yīng)用于其它醫(yī)療設(shè)備或產(chǎn)品。
       關(guān)鍵詞：語音合成；呼吸機(jī)；語音報(bào)警；智能化

　　0 引言

       呼吸機(jī)早年對(duì)聲音報(bào)警信號(hào)沒有特別要求，常規(guī)方法是用蜂鳴器或喇叭發(fā)出單一聲音。在2005年呼吸機(jī)報(bào)警專用標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)施，2009年標(biāo)準(zhǔn)又一次更新，即《YY 0709-2009醫(yī)用電氣設(shè)備 第1-8部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)：通用要求 醫(yī)用電氣設(shè)備和醫(yī)用電氣系統(tǒng)中報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試和指南》。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定聽覺報(bào)警信號(hào)可以用脈沖群來實(shí)現(xiàn)，也可以用語音合成的方式來完成。通過脈沖群產(chǎn)生聽覺報(bào)警信號(hào)時(shí)，報(bào)警內(nèi)容需要通過指示燈或圖形等方式來顯示，需要醫(yī)護(hù)人員在聽見報(bào)警信號(hào)的時(shí)候，及時(shí)觀察報(bào)警內(nèi)容，根據(jù)報(bào)警內(nèi)容進(jìn)行處置，另外也容易與其它醫(yī)療設(shè)備的報(bào)警聲音混淆，這些都增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量。
　　針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了呼吸機(jī)智能語音報(bào)警系統(tǒng)。
　　系統(tǒng)采用語音合成芯片，將呼吸機(jī)報(bào)警內(nèi)容以真人語音的形式進(jìn)行播報(bào)，可保證呼吸機(jī)報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性高、可靠性好、實(shí)時(shí)性好。語音報(bào)警信號(hào)傳達(dá)的信息準(zhǔn)確、直觀、便于醫(yī)護(hù)人員和家屬及時(shí)分析和處理問題，為患者提供更安全的保障；呼吸機(jī)語音報(bào)警信號(hào)有別于其它醫(yī)療設(shè)備的報(bào)警聲音，在病房中，便于醫(yī)護(hù)人員分辨，可以降低醫(yī)護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；語音報(bào)警更加智能化、人性化，使報(bào)警變得不再單調(diào)和冰冷，縮短了人機(jī)交互的距離；隨著技術(shù)發(fā)展，可以從這方面作為一個(gè)切入點(diǎn)將設(shè)備融入到大范圍的智慧醫(yī)療系統(tǒng)中。
　　1 工作原理

       呼吸機(jī)報(bào)警的判定是通過實(shí)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較得出。實(shí)測(cè)值通過采集傳感器信號(hào)得到，設(shè)定值通過程序輸入，當(dāng)實(shí)測(cè)值超出設(shè)定值范圍時(shí)，報(bào)警就會(huì)產(chǎn)生。
　　根據(jù)表1，控制報(bào)警引腳輸出對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)。當(dāng)語音報(bào)警系統(tǒng)查詢到報(bào)警引腳電平變化時(shí)，根據(jù)表1，播報(bào)語音報(bào)警內(nèi)容。
　　為了提高報(bào)警的可靠性，防止誤報(bào)警。傳感器容易受到外界影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，在程序中采用算數(shù)平均值方法，選取相鄰5組數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值，可減小偏差；當(dāng)語音報(bào)警系統(tǒng)檢查到報(bào)警引腳電平有變化時(shí)，程序要進(jìn)行判斷（消抖），減少干擾因素。
　　例如：壓力高報(bào)警設(shè)定值：壓力低報(bào)警設(shè)定值：壓力實(shí)測(cè)值：注：P1、P2、P3、P4、P5為相鄰單次壓力采樣值依據(jù)表2就可進(jìn)行壓力報(bào)警的檢測(cè)。
　　2 設(shè)計(jì)方案

       2.1 系統(tǒng)框圖

       圖1是系統(tǒng)框圖，呼吸機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值處理，報(bào)警檢查。如果有報(bào)警產(chǎn)生，查詢表1，輸出對(duì)應(yīng)的引腳電平。語音報(bào)警控制系統(tǒng)檢查到引腳電平變化，對(duì)信號(hào)進(jìn)行“消抖”
　　處 理 ， 確 認(rèn) 為 報(bào) 警 信 號(hào)后，查詢表1，通過串口發(fā)送語音報(bào)警信息給語音合成芯片，然后播放語音報(bào)警信息。
　　2.2 控制部分

       圖2為智能語音報(bào)警控制部分電路。采用STC12C5410AD單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但是速度快8~12倍，內(nèi)部集成專用復(fù)位電路，通用全雙工異步串行口，也可實(shí)現(xiàn)多串口。工作電壓為3.8 V~5.5 V。

　　控制部分的功能是通過檢查報(bào)警引腳電平變化來接收呼吸機(jī)報(bào)警信息，通過串口將報(bào)警內(nèi)容發(fā)送給語音合成模塊。通過P1端口連接呼吸機(jī)報(bào)警信號(hào)輸出端口，通過P3口發(fā)送報(bào)警信息內(nèi)容。單片機(jī)采用阻容復(fù)位，在電源輸入端口加0.1 μf耦合電容。另外，采用的晶振，便于軟件中設(shè)置串口波特率。
　　2.2 語音合成部分

       圖3位語音合成部分電路。語音合成部分采用SYN6288，該芯片是北京語音天下科技有限公司的一款中文語音合成芯片，通過串口接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。該芯片硬件接口簡(jiǎn)單，低功耗，音色清亮圓潤(rùn)、性價(jià)比很高。工作電壓為。
　　有6組外接電源，每組電源均使用一個(gè)和一個(gè)0.1 μF的電容，如果想節(jié)省成本，可以在每組電源上均使用0.1 μF的電容，并對(duì)VDDPP和VDDA兩組電源各加上一個(gè)47 μF電容。喇叭可以直接連接芯片的BP0，BN0引腳進(jìn)行聲音輸出，也可以加功放電路。本設(shè)計(jì)直接連接喇叭。芯片需要外接高速晶振，搭配22 PF電容。串口通訊時(shí)上位機(jī)發(fā)給SYN6288的串口通訊數(shù)據(jù)必須是反相的數(shù)據(jù)，上位機(jī)可以選擇程序代碼反向方式或硬件電路反相方式。本設(shè)計(jì)選用硬件電路反相方式。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

       本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主程序、報(bào)警查詢程序、語音播報(bào)程序，圖4為程序流程圖。
　　3.1 主程序

       流程如圖4所示。先進(jìn)行定時(shí)器、串口、初始化，然后程序循環(huán)檢測(cè)報(bào)警信號(hào)標(biāo)志位是否置位，如果報(bào)警信號(hào)標(biāo)志位置位，則播報(bào)對(duì)應(yīng)語音信息，否則繼續(xù)查詢報(bào)警信號(hào)標(biāo)志位是否置位。
　　3.2 報(bào)警查詢程序：

       流程如圖5所示。單片機(jī)按照定時(shí)器初始化設(shè)置的參數(shù)進(jìn)入中斷，當(dāng)檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)引腳電平改變時(shí)，首先檢測(cè)是否為干擾，如不是干擾，則將標(biāo)志位置位，否則放棄，繼續(xù)檢測(cè)。
　　3.3 語音播報(bào)程序

       流程如圖6所示。單片機(jī)首先發(fā)送5個(gè)字節(jié)（幀頭），然后發(fā)送合成的語音文本數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)進(jìn)行異或校驗(yàn)，最后發(fā)送校驗(yàn)字節(jié)。
　　4 系統(tǒng)測(cè)試

       主要驗(yàn)證在有報(bào)警發(fā)生時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。
　　以壓力上限報(bào)警測(cè)試為例說明：測(cè)試方法：將壓力上限報(bào)警閾值分別設(shè)置為2 kPa、4 kPa、，堵塞氣路，向氣路緩慢加正壓，當(dāng)發(fā)生聲光報(bào)警時(shí)，用秒表和氣流分析儀測(cè)試記錄。每個(gè)報(bào)警閾值測(cè)試100次，然后將對(duì)應(yīng)壓力值記錄并繪制曲線，如圖5所示如表3：報(bào)警準(zhǔn)確率A1=準(zhǔn)確報(bào)警次數(shù)/總報(bào)警次數(shù)報(bào)警實(shí)時(shí)率A2=報(bào)警延時(shí)小于20 ms的次數(shù)/報(bào)警總次數(shù)說明：測(cè)試中人的反應(yīng)時(shí)間無法控制，會(huì)使測(cè)試數(shù)據(jù)存在偏差。通過對(duì)壓力上限報(bào)警測(cè)試可以看出，呼吸機(jī)智能語音報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率高，報(bào)警實(shí)時(shí)率也滿足要求。其它報(bào)警參數(shù)可采取類似方法測(cè)試。

　　5 結(jié)論

       呼吸機(jī)智能語音報(bào)警系統(tǒng)基于單片機(jī)和語音合成芯片來設(shè)計(jì)，將呼吸機(jī)報(bào)警信息以真人語音的形式進(jìn)行播報(bào)。該系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率高，報(bào)警實(shí)時(shí)率滿足使用要求，比脈沖群報(bào)警表達(dá)信息準(zhǔn)確，便于醫(yī)護(hù)人員分辨，符合未來智慧醫(yī)療的發(fā)展趨勢(shì)。這套智能語音報(bào)警系統(tǒng)已在產(chǎn)品中使用，效果良好。該設(shè)計(jì)也可以在其它產(chǎn)品中推廣應(yīng)用，語音報(bào)警可以體現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化、優(yōu)勢(shì)化，能給使用者留下深刻的印象。

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第58頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處