基于NB-IoT智能點滴監測系統的設計與實現

徐 微，李睿勛，陳澤昕，郝琦琦

（西安交通大學城市學院 電氣與信息工程系，西安 710018）

靜脈點滴輸液是一種常用的臨床治療方法。 目前對于靜脈點滴輸液，剩余藥量判斷主要是人工監測方法，但是人工監測效率低，占用陪護和醫護人員大量時間和精力， 同時還存在一定的失誤率，造成液滴滴空，空氣栓塞、針頭回血等醫療事故[1-2]。 因此利用微機化系統實現液體點滴實時、安全、自動監控具有重要的意義，特別是在一些重大傳染性疾病如新型冠狀病毒的爆發期，智能點滴自動監控系統不僅能夠對病人點滴數據監測，還能解決醫患比例嚴重失衡，病毒強感染和致病性等現實問題。

目前智能點滴無線監測技術研究最為廣泛的是無線藍牙、WiFi、LoRa、ZigBee、有色Petri 網、5G技術等[3-6]。 文獻[7]基于有色Petri 網設計了智能家居輸液監控通信模型；文獻[8]利用LoRa 技術，設計了智能輸液監控系統；文獻[9]利用ZigBee 技術結合CC2530 單片機對電容數值的運算結果，對輸液狀態進行實時監測；文獻[10]采用C# 語言開發上位機的軟件運用WiFi 無線傳輸技術實現無線智能輸液監護系統的建立。窄物聯網（NB-IoT）技術相對于上述無線通訊技術，具有功耗低、成本低、覆蓋廣等優勢[11]，被廣泛應用于智能抄表、智慧養殖、智能城市、遠距離檢測等多種領域[12-14]，因此將NB-IoT 應用在智慧醫療行業也是未來發展趨勢。

本文設計了一種基于窄帶物聯網的智能點滴監測系統，通過STM32 主控芯片對液位信息進行判斷實現液位監測報警功能，利用云平臺進行數據存儲及監測，方便醫護和陪護人員實時查看剩余點滴信息，提高了點滴輸液過程的可靠性和安全性。

1 系統總體框架結構設計

智能點滴監測系統以NB-IoT 技術為基礎，該系統主要包括液位采集模塊、物聯網模塊、有人云平臺。 液位采集模塊完成液位數據的采集、數據向物聯網模塊發送，轉發至云平臺并接收從云平臺下發的命令等。 有人云物聯網平臺作為橋梁，連接起應用管理系統和數據存儲，實現采集的液位數據的上傳和應用管理系統命令的下發。 應用管理平臺通過有人云物聯網云平臺和液位采集模塊，實現液位監測系統的遠程控制與數據采集。 物聯網模塊平時處于低功耗的待機狀態， 當需要采集和上報數據時，被自動喚醒，待其完成工作之后，又進入待機狀態。

2 系統硬件設計

系統硬件總體結構如圖1 所示。 STM32 主控制器[15]通過其引腳與各個模塊進行連接，使各模塊協調工作，實現系統功能。 報警模塊用于監測剩余液位以及特殊情況的報警信息，如果剩余液位過低或藥瓶懸掛不正確等都會觸發報警模塊進行聲光報警，并把數據傳輸至云平臺方便遠端查看處理。 液位監測模塊用于實時采集剩余液位信息并經控制器處理后將數據發送到云平臺存儲顯示。 存儲模塊用于將采集到的各種信息進行儲存，防止信息丟失。顯示模塊用于顯示設置菜單、剩余液位及報警情況等信息。 供電模塊分別為NB-IoT 模塊、STM32 主控制器及顯示模塊等供電以保證模塊正常工作和系統低功耗運行。NB-IoT 通信模塊主要實現控制器與云平臺間的通信，進而實現數據的采集與控制指令的下發。

圖1 硬件結構Fig.1 Hardware structure

2.1 STM32 主控制器模塊

選用STM32F103C8T6 單片機作為主控芯片，其外部設有晶振電路、 復位電路以及電源電路，組成最小的工作系統，確保主控芯片能正常工作。

2.2 液位檢測模塊

液位檢測采用重力傳感器，以高精度應變片結合電橋進行高靈敏度重力檢測，并通過A/D 轉換電路將重力信息轉化為數字量發送給單片機處理。

2.3 報警模塊

本系統采用蜂鳴器和LED 指示燈組成報警模塊，通過主控芯片對液位信息進行判斷處理來驅動報警模塊實現液位信息的報警功能。

2.4 有人云NB-IoT 模塊

有人云模塊基于電信NB-IoT 網絡進行通信具有高性能、低功耗、簡單易用等特點，相比與其它的無線通信模塊， 有人云物聯網模塊具有覆蓋強、大連接、功耗低和成本低等優點[16]。模塊工作電路主要包括：電源模塊、復位模塊、串口通信模塊、天線模塊、SIM（subscriber identity module）卡接口模塊[17]。本系統采用有人云模塊的TX/RX 引腳分別與STM32 主控制器的PA9 和PA10 引腳相連進行通信，其通信電路如圖2 所示。

圖2 有人云物聯網模塊通信電路Fig.2 Human cloud IoT module communication circuit

2.5 電源模塊

電源模塊采用LM2596 降壓模塊將6 V 電壓分別調整成5 V，3.3 V 為單片機、物聯網模塊及其它模塊供電，由單片機控制各模塊的供電來進行模式切換，實現低功耗運行。

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用C 語言進行開發，主要包含有人云物聯網通信程序及主程序。

3.1 有人云模塊通信設計

有人云模塊入網通信流程如圖3 所示。

圖3 有人云物聯網模塊入網通信流程Fig.3 Network access communication flow chart of human cloud IoT module

3.2 主程序設計

在開機之后進行設備初始化，NB-IoT 模塊進行網絡連接，連接成功后進入主界面由用戶進行菜單選擇，首先需要進行報警液位設定，默認值為5%可根據需要進行設定，設定需要輸入密碼正確才能進行。 在主界面選擇權限管理可以進行密碼修改，初始密碼為“123456”，輸液前需對藥量進行復位以消除瓶本身重量對輸液檢測值的影響，當復位成功后即可開始輸液， 輸液過程中會對剩余藥量進行判斷， 并將輸液信息實時發送到服務器上以備查看，當藥量不足時會進行聲光報警，并將報警信息發送到手機和電腦端。 主程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow chart

4 系統測試

4.1 網絡測試

系統物聯網模塊需要進行駐網測試，通過串口連接模塊發送AT 指令進行測試以驗證模塊是否正常工作，測試界面如圖5 所示。

圖5 有人云物聯網模塊駐網測試Fig.5 Human-cloud IoT module on-site test

4.2 硬件測試

根據設計原理圖焊接完硬件結構后對硬件系統進行測試，觀察其是否實現相應的功能，系統硬件結構如圖6 所示。

圖6 系統硬件實物圖Fig.6 Physical diagram of the system hardware

4.3 軟件測試

系統操作界面采用C 語言編寫，系統界面由開場動畫、信息展示、菜單展示、子菜單展示等界面組成，可以實現報警液位設定、權限管理、藥量復位、輸液進度查看及報警信息展示等交互功能，其界面如圖7 所示。

圖7 系統操作界面Fig.7 System operation interface

4.4 場景模擬測試

系統整體連接后進行數據檢測及傳輸測試，觀察測試結果的準確性與數據傳輸的實時性，以及報警信息發送的及時性， 其測試場景如圖8 所示，在電腦端可以對藥量及報警信息遠程訪問，并可通過微信小程序對報警信息及歷史記錄實時查看，電腦端顯示界面如圖9 所示。

圖8 系統測試場景Fig.8 System test scenario

圖9 電腦端數據顯示Fig.9 Computer-side data display

5 結語

經測試表明：基于NB-IoT 智能點滴監測系統能夠穩定的對輸液過程進行在線監測，并在剩余藥量較少時進行報警，提示醫護人員換藥，通過物聯網模塊將數據發送到服務器供護士站端及手機端查詢，數據傳輸具有較好的實時性，系統測量精度高，最大相對測量誤差僅有2%。 應用該系統，可以使陪護以及醫護人員很方便地在遠端查看輸液進度，節省時間和精力，提高了點滴輸液的安全性和可靠性。