無線通訊式輸液監控系統的設計

張 玉

ZHANG Yu

（桂林理工大學 機械與控制工程學院，桂林 541004）

0 引言

靜脈輸液是醫院中常用的治療方式，在輸液治療過程中，需要根據藥物和患者病情選擇合適的靜脈輸液速度。目前，對靜脈輸液的監控普遍采用人工方式，醫護人員要不定時的進行巡檢，以確定輸液速度是否合理，輸液是否即將結束。如果沒有及時換藥或拔針頭，將有可能出現空氣進入血管內形成空氣栓塞，凝血堵塞針頭等情況，輕則延誤治療，重則發生嚴重醫療事故，影響患者的生命安全[1]。

目前，傳統的病房呼叫系統多采用二線制、四線制或RS485等有線傳輸方式，需要在醫護值班室和病房之間鋪設線路，安裝布線復雜，維修檢查困難，系統擴展勝不強，而且實現的功能較少，僅僅只是呼叫功能。隨著計算機控制技術、電子信息技術和網絡通信技術的廣泛應用，現代監測系統的自動化程度越來越高，無線通訊技術在自動監測領域得到了廣泛的應用。本文在總結國內外研究成果的基礎上，結合醫院的實際要求，提出以單片機AT89C51和nRF905無線收發芯片為控制核心，采取應答式雙向通信的輸液監控系統，能實現輸液速度自動調節，輸液完成報警，自動切斷輸液，遠程監控等功能。系統穩定可靠，具有很好的應用前景。

1 系統總體框圖

系統由上位PC主機、監控接收總站節點、現場監控子節點等模塊組成。通過無線傳輸模塊將各監控子節點連接成一個分布式網絡，系統采用了星型拓撲結構，由一個與上位PC主機相連的無線通信模塊作為系統的控制中心，可以跟控制系統中的任何一個監控子節點通信，負責各病床輸液數據的接收與管理、控制命令的發送、輸液過程的實時顯示等。監控子節點分布在各個病床旁，負責對輸液的控制，并且對上位機控制中心發來的數據、命令進行分析處理，完成相應的操作。監控子節點也可以脫離控制中心，直接進行現場手動控制[2]。系統結構如圖1所示。建立一個無線網絡的前提和基礎是選擇一個合理的網絡拓撲，網絡拓撲的結構可以決定網絡的成本、速度、特點和實現的功能。該控制系統采用的星型拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加系統中節點，滿足醫院在以后增減床位的需要，而且成本低。實踐證明，星形網絡結構簡單，實用可靠。

圖1 系統結構框圖

2 無線傳感器選擇

無線傳感器的選擇在整個系統設計中非常關鍵，其性能好壞直接影響到系統的可靠性，該系統中的無線通信模塊應具有如下特性：具有發送、接收雙向通訊功能，較低的工作電壓和較小的工作電流，較強的抗干擾能力及載波檢測功能等。考慮到醫院有多間病房，并且醫務監控室與病房之前的距離，我們選取的無線傳感器其有效傳輸距離應該不低于200米。

綜合以上要求，本系統選用挪威Nordic公司生產的無線芯片nRF905，nRF905工作電壓可低至1.9V，最大發射功率10 dBm時的電流消耗小于30 mA，通信速率可以達到100 Kbps，具有曼切斯特編碼、地址匹配、載波監聽和自動CRC校驗等功能。我們選用433 MHz的ISM頻段，具有較強的穿透能力和較遠的傳輸距離，可實現室內的較遠距離傳輸[3]。該無線通訊模塊主要由三部分組成：nRF905及其外圍電路、功率放大以及信號收發電路、電源電路。模塊組成框圖如圖2所示。

圖2 無線通訊模塊結構示意圖

3 電源電路

電源模塊為整個傳感器節點提供電壓，無線通訊模塊的電源電路圖如圖3所示。無線模塊的輸入電壓設計為5V，使用TPS76333穩壓芯片輸出3.3 V電壓，使用TPS7301穩壓芯片輸出4.9V電壓。RF_PAEN為單片機控制的4.9V電源開關控制引腳，只有當無線通訊模塊處于TX模式時才會使能TPS7301芯片，當處于其它模式時，TPS7301芯片均不開啟，從而減少功耗[4]。

圖3 電源電路圖

4 無線通訊信號功率放大電路

基于nRF905的無線通訊模塊信號功率放大電路如圖4所示，采用ADL5530功率放大芯片對nRF905的輸出信號進行放大，供電電壓為5V時，單片射頻收發器nRF905信號發射功率+10dBm，經ADL5530功率放大芯片放大后，信號發射功率提高為25.7dBm，從而大大的提高了通訊距離，使整個系統更加穩定[4]。

圖4 無線通訊模塊信號放大電路

5 無線通訊模塊軟件設計

5.1 無線發射軟件設計

當控制模塊開始向接收端傳輸數據的時候，經過SPI接口將所要用的接收端的地址和有效數據依一定的時序發往nRF905，發送的速率通過已經設定的協議，或者是控制模塊的接口設置[5]。通過控制模塊拉高TRX_ CE、TX_ EN的電平，這樣就啟動了nRF905的Shock Burst工作方式。一旦AUTO_RETRAN這個端口為高電平，就意味著nRF905需要不停發送之前的數據，一直等到TRX_ CE變為低電平。一旦TRX_ CE變為低電平，結束數據的傳送，并進入待機模式中。在TRX_CE維持在高電平，TX_ EN為低電平時，說明已經將數據報發送完，接下來啟動數據的接收模式。圖5 顯示的是發送模式流程圖。

5.2 無線接收軟件設計

無線接收軟件設計流程圖如圖6所示，首先把TRX_ CE拉高，TRX_ EN拉低，然后選擇Shock Burst作為接收數據時的模式[5]。nRF905開始偵聽周圍環境中是否有信號，一旦監測到了某一載波頻率和自己頻率一致時，即拉高CD引腳。接下來在接收到傳輸過來的有效地址時，把AM引腳拉為高電平。經過CRC檢測，確認收到了有效數據時，把數據頭上的前導地址以及CRC位去掉，然后DR被拉高。控制模塊拉低TRX??_CE，然后啟動了待機模式，控制模塊以一定的速度經過SPI口讀出數據。一旦讀取完了全部的數據后，拉低AM和DR。一旦TRX_ CE被拉高，并且TX_ EN也被拉高時，nRF905將進入Shock Burst發送模式，把當前SPI寄存器里面的數據發送出去。

圖5 無線發送流程圖

圖6 無線接收流程圖

6 鍵盤模塊

現場監控子站鍵盤電路用于設定點滴速度，根據藥液類型以及患者特征等因素，點滴速度一般為10 ～200滴/分，因此，利用三位數碼顯示管即可實現滴速顯示。本系統因使用的按鍵較多，故采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤，選擇單片機AT 89C51的P0.0～P0.3口與7段譯碼器74HC4511的A 、B 、C 、D管腳相連，對數碼管提供數據。P0.4～P0.6作為行選信號與數碼顯示管相連；將P1.0～P1.7作為按鍵接口，實現功能按鍵與單片機的輸入連接，鍵盤及顯示電路如圖7所示。

圖7 鍵盤顯示電路

7 可視化監控界面

輸液監控管理軟件是在 Windows環境下的一個可視化窗口程序，是一套操作簡便、具有實用價值的軟件。可視化監控界面用于醫療單位的輸液監控，由下位機完成數據檢測、執行，上位機進行集中管理，并實現形象直觀的可視化操作界面，上位機的輸液監控可視化軟件不但可以形象地顯示輸液瓶內液體的液位，還能以準確實時地顯示床位、限定速度、即時滴速、輸液總量、已輸入量和剩余時間等信息[6]。本可視化軟件采用VB實現，上位機的主界面如圖8所示。護理人員可以通過上位機軟件查看所有輸液信息的記錄，設定各個正在工作的監控器的數據信息。遇到緊急情況上位機會同步報警，護理人員可直接在上位機停止輸液。

圖8 可視化監控界面

8 結束語

本文設計的以nRF905無線通訊模塊和AT89C51單片機為核心的監控輸液系統，滿足了臨床輸液監護的需要。該輸液監控系統對輸液過程進行了實時監控，實時檢測輸液速度以及輸液是否結束，并能對輸液速度進行調整，當輸液即將結束時發出報警信號，代替了傳統的人工不定時的巡檢，使醫護工作人員在工作強度大大降低的情況下提高了監護質量，具有一定的實際意義。現場使用表明，該系統功能完善、通信可靠、安裝施工簡中、易于擴展，比現有的有線呼叫系統更有優勢。

[1]刁惠民,詹憲鳳,季兵.靜脈輸液監控系統的研制[J].解放軍護理雜志,2009,26（2A）：73-74.

[2]田學隆,林芳欽.基于光電傳感器的液位檢測方法與裝置[J].傳感器與微系統，2009,28（10）：73-75.

[3]題原,宋飛,劉樹東,王艷春.基于nRF905的無線溫濕度檢測與傳輸系統設計[J].2011,38（4）：404-407.

[4]崔巍.基于無線通訊技術的MOA狀態監測系統研究[D].上海交通大學,2010

[5]王昕.基于nRF905射頻芯片的無線溫度采集系統的研制[D].浙江工業大學,2010.

[6]鐘軍.Visual Basic數據庫高級實例導航[M].北京科學出版社,2004.