桂林电子科技大学 广西桂林 541000
依据《“健康中国”2030 规划纲要》、《“十三五”卫生与健康规划》、《“十三五”深化医药卫生体制改革规划》和《“十三五”全国卫生计生监督工作规划》，要求我国在2020年医疗机构监督覆盖率达到90%，要求各级监督部门创新监管手段，并加强传染病防控平台建设。消毒灭菌质量监测是传染病防控工作的重中之重，是医疗安全的屏障。现阶段国家卫生计生委监督中心正在建立的消毒灭菌在线监测云平台，可以对传染病防控及时预警并且对有风险的地区采取有针对性的监督措施。
现阶段的医用蒸汽灭菌器大多没有连接到互联网，灭菌器出现问题时，需要派出技术人员到现场维修，维护成本较高；灭菌器灭菌效果不可见，需要进行细菌培养进行检测，通过检测消毒记录的方式监管不方便且不可靠；虽然灭菌器有内置的报警检测程序，但是当出现程序无法控制的错误时，只能进行报警，如果操作人员不在附近易于引发事故。随着国内需求市场的不断扩大，国外的一些灭菌器品牌也逐渐进入到中国的灭菌器市场，目前国外的主要品牌有德国美格、日本平山、日本山洋等品牌。2020年我国灭菌器行业需求量达到290万台，行业销售规模约85亿元。随着国内卫生市场规模需求对灭菌器的快速发展，未来几年国内灭菌器消费市场规模将保持15%以上的增长速度发展，预计到2021年我国灭菌市场规模将达到100亿元。进年来，基层医疗机构大规模建设对中低端医疗器械的刺激作用很可能会超预期，当然也包括医院用灭菌器设备。
本项目将传统的高温蒸汽灭菌技术与物联网技术相结合，提供远程诊断服务、灭菌数据云端备份。弥补市场上灭菌器灭菌效果不直观、监管不方便且不可靠、系统故障时保护措施单一、维护成本高等缺点，实现了可视化的实时灭菌监控、远程诊断、二次安全防护等功能，给用户带来全新体验的同时，更加响应了国家创新监管，加强传染病防控的号召。科技让医疗监控更加透明！透明即我们的项目创新点在于实行可视化监控，利用云平台就可以实时监控用户的灭菌器情况，区别于传统的灭菌器无法实时监控的问题。将传统的高温蒸汽灭菌技术与物联网技术相结合，提供远程诊断服务，降低企业维护成本；提供灭菌数据云端备份，方便监管部门进行监管；提供二次安全防护，在紧急故障时能够进行强制干预；同时，通过进行大数据挖掘，分析灭菌器在不同海拔、地区的灭菌成功率，统计修复工程中进行的参数补偿并反馈给企业，可以提升灭菌成功率。
硬件电路设计是系统的核心内容，它包含单片机最小系统模块、存储模块、报警模块、常开电磁阀驱动模块、常闭电磁阀驱动模块、舱门检测及可控硅驱动模块、传感器模块、电源模块。存储模块的主要作用是保存用户设定的参数，在本设计中，我们采用AT24C08芯片作为存储芯片，AT24C08提供8192位的串行电可擦写可编程只读存储器（EEPROM），组织形式为1024字×8位字长。适用于许多要求低功耗和低电压操作的工业级或商业级应用。可选节省空间的8脚PDIP，8脚JEDEC SOIC，8脚Ultra Lead Frame Land Grid Array（ULA），5脚SOT23，8脚TSSOP，和8触点dBGA2封装，并通过2-wire串行接口存取。
存储模块采用I2C通信协议实现单片机与AT24C08的数据存取，所以单片机在编程时应将对应IO口配置为开漏输出，同时硬件电路上的SDA与SCL应接10k的上拉电阻，其实际AT24C08上的A0、A1、A2的电平决定了I2C通信的器件寻址情况。
本项目中PID控制主要应用在温度压力控制部分，是系统实现稳温稳压及温度压力协同控制的核心。
PID控制是一个二阶线性控制器。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。[28]
自适应噪声对消系统由运行在参考传感器输出端的自适应滤波器组成。自适应噪声对消是通过一个恰当的自适应过程加以控制，它对噪声干扰抑制效果是直接滤波难以企及的。而且，它的应用条件很宽松，只要能单独得到噪声估值，就可以采用自适应对消法。这个自适应滤波器用来估计噪声，然后从基本传感器输出中减去该噪声估值。自适应噪声对消器的总输出用来控制自适应滤波器中抽头加权系统的调整。自适应噪声对消系统使总输出的均方值趋于最小，从而产生最小均方误差意义下期望信号最好估计的输出。欲使值为最小，就等价于使的值为最小，故也达到最小值，这意味着自适应噪声对消系统的输出信号与有用信号s（n）的均方误差最小。在理想情况下，，则。此时，自适应滤波器自动调节其参数，使通过自适应滤波器处理后的输出与原始输入通道中的噪声分量相等，通过一个减法器后，噪声被完全对消，系统输出信号只剩下有用信号。由此实现以下功能：1、为用户提供可视化的实时灭菌监控，分析灭菌是否成功，并通过权限控制实现灭菌器分级管理。这就可以解决现有传统的灭菌器灭菌效果不直观的问题。
2、灭菌数据云端备份，方便监管。传统的灭菌器监管不方便且不可靠，该项目通过数据云端备份可以方便部门监管且数据可靠。
3、提供远程诊断服务。传统的灭菌器出现故障时需要派出技术人员，维护成本较高。现在该项目可实现企业技术部门可以通过调看自动保存上传的灭菌报告和图像来分析原因，通过预设命令来修复灭菌不达标异常报警等灭菌器故障或者判断是否存在硬件损坏，大大减少企业成本。
4、二次安全控制。当检测到灭菌器出现故障时，在灭菌器内置控制器无法解除异常的情况下（例如灭菌器中由于可控硅黏连，导致的加热管无法停止工作造成的持续升温），进行强制干预。解决传统灭菌器系统故障时保护措施单一问题。
5、进行大数据挖掘，分析灭菌器在不同海拔、地区的灭菌成功率，统计修复工程中进行的参数补偿并反馈给企业。
本文是2020年广西大学生创业训练“智能医用云灭菌装置”（项目编号202010595321）项目成果