智能輸液監測系統設計

高伊慧，劉忠富，黃金秋，劉 曦，寇耀文

(大連民族大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連116600)

0 引 言

隨著近些年物聯網技術的進步以及智能化設備的飛速發展，醫療設備的智能化逐漸成為醫療領域發展的必然趨勢。現如今的輸液設備都是由人工進行監護管理，但在人工監護過程中極容易出現意外，導致醫療事故的發生；傳統的人工監護方式也極大地增加了醫療成本，并過量消耗了醫護資源。因此，對患者輸液過程進行智能化實時數據監測具有重要意義。

國內外醫療領域研究學者均對醫療設備的智能化進行了研究設計。如，文獻［1］中對基于無線藍牙靜脈輸液監控系統的研究和設計；Hagihghi Reza也在pub期刊發表了《A miniaturized piezo resistive flow sensor for real-time monitoring of intravenous infusion.》一文，詳細闡述微型壓阻流量傳感器對于靜脈輸液監控系統設計中的作用［2］。

本文以STM32單片機為核心控制處理器的下位機系統［3］，選用多種類型傳感器，實時監測輸液過程中的關鍵參數。其中包括藥液流速、藥液剩余量以及藥液溫度等；數據采集后對數據進行分析，判斷數據是否在預先設定合理范圍之內；通過設計ZigBee無線通信接口，實現檢測參數出現異常時及時將信息傳送給PC端上位機［4］，從而實現輸液異常情況的遠程報警功能，提醒醫護人員及時到達輸液現場對出現狀況進行處理。

1 系統設計

智能輸液監控系統主要由核心處理器、采集數據電路以及無線數據傳輸、報警處理控制等模塊組成。軟件部分主要是整體系統的邏輯架構并根據需求進行軟件設計。并通過軟件程序驅動硬件從而實現整個系統的正常運行。

本設計首先通過流速監控電路對流速進行檢測；藥量監控電路對藥液剩余量進行實時監測；溫度監控電路對藥液溫度進行實時監測；在發生異常情況時下位機系統會通過聲光報警形式進行報警，并顯示實時監測數據；通過無線傳輸系統將報警信息發送至上位機，上位機對報警信息進行顯示從而提醒醫護工作人員及時進行處理。系統架構如圖1所示。

圖1 系統設計框圖Fig.1 System design block diagram

2 硬件系統設計

硬件系統由微處理器系統電路、數據信息采集電路、數據無線傳輸電路等組成。微處理器電路主要以STM32F103RCT6最小系統作為系統控制電路；數據采集包括紅外傳感器及其外圍電路，用來對輸液過程中的流速進行實時監控；可懸掛式稱重傳感器及其外圍電路進行藥液質量的采集，從而實現藥液剩余量的監控。溫度采集由DS18B20溫度傳感器及外圍電路組成，其作用為進行藥液溫度的實時檢測。ZigBee無線傳輸電路和USB轉TTL電路組成了無線傳輸電路，在出現異常情況時本系統會通過驅動此電路將報警信息發送到上位機。

2.1 單片機最小系統電路

系統采用STM32F103RCT6作為主控芯片。該單片機是STM32系列單片機中的增強型，復位電路與單片機的NRST接口相連接。時鐘振蕩電路由2個組成:一個連接8 MHz的晶振，可以使單片機在72 MHz的震蕩頻率下滿負荷工作，2個接口分別連接單 片 機 的PD0和PD1端；另 一 個 使 用 了32.768 MHz的晶振，可以使單片機在極低的主頻率下進行工作，從而降低使用功耗，2個接口分別連接單片機上的PC14和PC15端。單片機最小系統電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統電路Fig.2 Minimum system circuit of single chip microcomputer

2.2 藥液溫度監測電路

藥液溫度測量模塊選用的是數字傳感器DS18B20。該傳感器與單片機之間的通信協議為單總線傳輸協議，并且只有一個數據端口與單片機的I／O相連接，向單片機直接傳輸數字信號。由數據芯片使用手冊中得知，本模塊采用5 V電源進行供電，并且外圍電路相對簡單，只需要外接10K的上拉電阻便可以對溫度進行測量［5］。

2.3 藥液滴速監測電路

藥液滴速檢測采用紅外傳感器，其工作原理是:通過傳感器內部的紅外發射二極管不斷地發射紅外線，在液滴滴落的瞬間會將紅外線反射回來；同時，傳感器本身也會對光進行檢測，如果沒有接收到反射回來的紅外線，系統不進行處理，否則模塊的輸出引腳會產生高低電平轉換。在正常檢測液滴滴速時，系統通過檢測2個上升沿的時間差來算每滴液滴的滴速（即2次液滴的時間間隔）。VCC和GND分別接3.3 V電源和GND；單片機的PC5接口為本模塊外接的數據傳輸端口。在接受到紅外線反射后，信號會被電路中的放大器進行放大，通過濾波、檢波和整形等步驟輸出檢測信號［6］。紅外無線傳感器的內部原理如圖3所示。

圖3 光耦紅外傳感器原理Fig.3 Principle of opt coupler infrared sensor

2.4 藥液質量監測電路

利用懸掛模式稱重傳感器組成的測量電路，測出藥液的重量信號，由差動放大器電路把傳感器輸出的模擬信號進行一定倍數的放大，然后送A／D轉換電路中。由A／D轉換電路把接收到的模擬信號轉換成數字信號后，單片機會對藥液質量進行監控，如果藥液量低于設定量的5%，則會通過無線模塊進行報警。HX711稱重模塊使用5 V電源進行供電。與單片機的接口連接為:PD＿SCK引腳接單片機PA11引腳，DOut接單片機PA12引腳。硬件原理如圖4所示。本模塊的工作原理為，在U5元件部分通過E+、E-、S+、S-與電阻式稱重傳感器相連接，采集到的重量信號通過電路圖中的放大器對采集信號進行放大，并由HX711片進行處理從而得到模擬重量信號［7］。

圖4 HX711稱重傳感器原理Fig.4 Principle of HX711 load cell

2.5 無線數據傳輸電路

本系統在無線數據傳輸部分采用了以CC2530作為板載芯片的集成ZigBee無線收發模塊。ZigBee無線通信模塊支持點對點通信、點對多通信，同時也支持組網功能［8］。

ZigBee無線通信模塊電路由CC2530芯片及其外圍電路組成，通過串口與微控制器之間進行通信，故將本模塊的TXD和RXD引腳連接到主控制器的PA10和PA9引腳。本模塊采用3.3 V電源進行供電，其損耗較低，可節約用電成本。無線傳輸的接收端采用USB轉TTL與PC端進行數據的接收。無線傳輸模塊電路如圖5所示。

圖5 ZigBee無線傳輸模塊電路Fig.5 ZigBee wireless transmission module circuit

2.6 電源電路

由于系統無功率較大的傳感器，主控芯片采用5 V電源電路進行供電。考慮到本設備的簡易性，故采用鋰電池供電。因系統中部分傳感器使用3.3 V電源，在進行電源設計時，使用ASM1117芯片作為5 V轉3.3 V電路設計的處理芯片。

3 軟件系統設計

系統軟件主要由下位機軟件和上位機軟件設計兩部分組成。下位機軟件包括:數據采集程序、無線收發程序、系統數據處理程序；上位機主要由界面軟件程序組成。系統中主要將下位機程序下載到STM32F103RCT6單片機中運行，從而實現下位機的數據采集、數據處理等功能。上位機主要實現在PC端顯示下位機采集到的信息以及報警信息等。下位機中的程序主要使用C語言進行編寫，C語言是結構化編程語言，可降低軟件程序的耦合性，從而實現各個模塊的單獨調試，以及各個模塊的單獨運行不會產生互相干擾的情況。上位機界面主要通過C++編程語言進行編寫。

3.1 下位機軟件架構設計

系統下位機的軟件開發以windows10作為操作系統平臺，使用Keil uVision5集成開發環境完成開發工作。下位機軟件中主要實現的功能是數據采集、數據處理、報警信息處理等功能。主程序工作流程如下:

（1）程序啟動后首先檢查無線模塊連接是否正常。正常連接情況下，對傳感器傳輸數據進行接收。

（2）將傳感器所采集到的數據傳到微處理器中，實現數據分析及處理，將數據處理后顯示在顯示屏幕上。

（3）對數據的合理情況進行檢查。合理則繼續檢測，否則啟動聲光報警程序和無線報警程序。

①溫度檢測。首先進行傳感器初始化檢測，完成通過傳感器的ROM指令，讀取采集數據并對高低位數據進行整合，輸出溫度數值。

②藥液滴速檢測。首先檢測紅外傳感器初始化是否完成，完成后通過傳感器內部電路發射紅外線，而后檢測反射紅外線，如果檢測到反射紅外線則進行輸出接口的高低電平轉換。

③液體質量檢測。檢查初始化是否完成，如果監測未完成初始化，則對初始化循環監測。初始化完成后通過監測電阻應變化的變化程度，計算質量信號的變化，并通過內部電路對質量信號進行放大，最后輸出重量的模擬量信號。

3.2 上位機軟件架構設計

上位機軟件以Windows10作為操作系統平臺，采用QT圖形化界面開發軟件完成開發工作。

上位機主要作為下位機檢測數據的實時接收，以及報警信息接收軟件。其主要實現串口信息接收、十六進制數據接收、文本數據接收、以及保存接收數據到指定文件等功能。

4 系統調試

在整體系統調試過程中，分別進行了監測數據正常與不正常（故障注入）情況下的測試。在進行故障注入測試時，會正常報警，下位機通過聲光進行報警。由圖6和圖7中可進行對比，在剩余藥液為0%，滴速為0時報警燈被點亮。

圖6 無異常現象Fig.6 No abnormal phenomenon

圖7 有異常現象Fig.7 Abnormal phenomenon

5 結束語

本文所設計的智能輸液監測系統以STM32F103RCT6單片機為處理器作為控制端，通過ZigBee無線通信模塊進行監測信息的實時發送和報警信息的傳輸。以PC端上位機作為信息接收終端。從而實現整個系統的數據監測、信息傳輸、以及異常情況報警等功能。該系統的應用不僅提高了醫護人員的工作效率，并且也極大地避免了醫療事故的發生。經檢測驗證，系統具有一定的研究和應用價值。