遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

樓盈穎，陳海鵬，王志琪，盧新祥

（紹興文理學(xué)院數(shù)理信息學(xué)院，浙江紹興，312000）

0 引言

當(dāng)今城市建設(shè)的發(fā)展越來越離不開一個詞：健康城市。健康城市在發(fā)展中的社會環(huán)境不斷改善，新型資源不斷涌現(xiàn)，人們也越來越開始重視醫(yī)療健康，從而使得智能醫(yī)療在建設(shè)健康城市中占據(jù)愈發(fā)重要的位置。近年來，有越來越多的傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)、無線傳播技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療建設(shè)中，使醫(yī)療手段更加的智能化、便捷化和安全。故需要利用電子技術(shù)設(shè)計出一套遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)，為病人在醫(yī)院治療時提供一個令人滿意的輸液環(huán)境。

本文設(shè)計基于STM32的遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)，它主要由以下幾部分組成：紅外對管模塊，STM32 單片機控制部分、顯示模塊，語音播報模塊和無線發(fā)送接收模塊。病人端紅外對管獲取點滴液位信息，與預(yù)設(shè)值相比較，確定此刻是否需要發(fā)出警示，將數(shù)據(jù)傳遞到單片機。后續(xù)兩個單片機之間通過Wi-Fi 傳輸信息，將病人的床位/座位號信息顯示在護(hù)士端的顯示屏上，并通過語音播報病人的床位/座位號，提醒護(hù)士前去拔針或者更換點滴藥物，從而可實現(xiàn)遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。基于STM32的遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)的推廣使用能提高醫(yī)院的服務(wù)水平和服務(wù)質(zhì)量，減少人力資源浪費，營造一個良好的輸液環(huán)境。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)分為主機和分機兩部分。分機部署在病人的輸液架上，主機部署在護(hù)士端的集中顯示區(qū)處。分機上安裝的紅外對管對點滴液位進(jìn)行監(jiān)測，觀察液面是否到達(dá)人為預(yù)先設(shè)置的高度，若到達(dá)預(yù)設(shè)警戒線，則將此時刻的信號輸入到分機的STM32F407ZGT6 單片機處。分機可以通過Wi-Fi 將接收到的液位信號傳輸?shù)阶o(hù)士端的主機處，主機處的單片機收到數(shù)據(jù)，通過語音播報告知護(hù)士需要拔針或者更換藥物的病人床位/座位號，并且在顯示屏上顯示出來。系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，主要包括電源模塊、紅外對管監(jiān)測模塊、單片機控制模塊、主機與分機的無線傳輸模塊、語音播報模塊和顯示模塊。

2.1 電源模塊

主機語音播報、分機數(shù)據(jù)采集與傳輸和單片機系統(tǒng)的供電需要穩(wěn)定可靠的5V 電源供應(yīng)。5V 電路的設(shè)計原理圖如下圖2 所示。

圖2 5V 供電電路原理圖

2.2 紅外對管模塊

紅外對管模塊原理圖如下圖3 所示。

圖3 紅外對管模塊原理圖

該傳感器模塊對環(huán)境光線的適應(yīng)能力較強，模塊上具有一對紅外線發(fā)射與接收管。在使用中，可以監(jiān)測到點滴液面由水到空氣的變化，從而使得紅外線反射，信號數(shù)據(jù)讀取到接收端，產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)過分機單片機處理，可以將信號轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的病人的座位/床位號，以供后續(xù)程序使用。

2.3 無線通信模塊

本設(shè)計使用nRF24L01 作為2.4G 無線收發(fā)芯片，實現(xiàn)分機與主機的數(shù)據(jù)傳輸[1]。該芯片采用串行外設(shè)接口的通信方式與主控制芯片進(jìn)行往來通信，最大的通信時速可以到10MHz，已經(jīng)被很多公司大量使用，成熟度和穩(wěn)定性都是非常不錯的。

此外，在這款芯片具有低功耗的特點，在一般發(fā)射工作時的電流消耗為9mA，接收工作下消耗為12.3mA[2]。在掉電和待機時，則所消耗的電流更低[3]。低功耗適合在醫(yī)院病房區(qū)和點滴輸液室的應(yīng)用。下圖4 為無線模塊的原理圖。

2.4 語音模塊

為了進(jìn)行更好的人機交互，設(shè)計中采用了JQ6500-16p語音模塊，提醒護(hù)士關(guān)注需要更換藥物或者拔針的病人。該模塊是提供串口的MP3 芯片，完美的集成了MP3、WMV的硬解碼[4-5]。

3 軟件設(shè)計

程序的實現(xiàn)功能如下：

（1）紅外對管的數(shù)據(jù)采集功能：能夠監(jiān)測到預(yù)設(shè)的點滴液位由水變?yōu)榭諝獾臅r刻，將數(shù)字信號傳遞到分機的單片機上。

（2）無線傳輸模塊：主機與分機之間的通信通過Wi-Fi無線通信的方式而建立。

（3）顯示部分：通過顯示屏顯示需要拔針或者更換藥物的病人的座位/病床號。

（4）語音模塊：語音播放提醒護(hù)士為有需要的病人前去拔針或者更換藥物，以實現(xiàn)更好的人機交互。

3.1 分機的軟件設(shè)計分析

遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)分機的軟件設(shè)計主要是由紅外對管模塊和Wi-Fi 傳輸模塊構(gòu)成的。紅外對管對數(shù)字信號進(jìn)行收集，并在分機MCU 中進(jìn)行處理。處理后的信息通過無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)阶o(hù)士端的主機接收處。分機程序流程圖如下圖5(a)所示。

3.2 主機的軟件設(shè)計分析

遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)主機的軟件設(shè)計大體可以分成四部分，分別是無線信號的接收，語音播報，顯示處理和消息確認(rèn)與清除。主機的程序流程圖如圖5（b）所示。

圖5 遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)程序流程圖（a：分機，b：主機）

4 系統(tǒng)調(diào)試

圖6 和圖7 為本設(shè)計的完整實物圖。經(jīng)過調(diào)試，分機的數(shù)據(jù)采集以及預(yù)輸出功能已基本實現(xiàn)，主機的數(shù)據(jù)接收以及顯示輸出功能已基本實現(xiàn)。偶爾存在因為外界環(huán)境光影響導(dǎo)致紅外對管監(jiān)測數(shù)據(jù)失誤的情況，后續(xù)在卡槽內(nèi)部覆蓋了黑色膠帶，盡可能使測試環(huán)境穩(wěn)定，以減小外環(huán)境帶來的誤測。

圖7 護(hù)士端實物圖

遠(yuǎn)程輸液監(jiān)測系統(tǒng)采用聲光并用，在一定程度上能把病人亟待處理的點滴狀況傳遞給護(hù)士。主機與分機的遠(yuǎn)程控制體現(xiàn)了人機關(guān)系的友好性，方便醫(yī)院場景下的使用。

5 結(jié)論與展望

最終本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對點滴液位的遠(yuǎn)程監(jiān)測操作。但在實驗過程中，偶爾會出現(xiàn)紅外對管監(jiān)測出錯的情況，主要原因是因為實驗時所處的外界環(huán)境在發(fā)生變化，紅外對管靈敏度不高，容易造成誤判。面對這一問題，后續(xù)將改進(jìn)紅外對管放置的卡槽結(jié)構(gòu)。使用時探頭避免陽光或者燈光的直射，在一個相對穩(wěn)定不變的環(huán)境里操作。