淺析RFID 技術(shù)下智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)設計

趙麗萍

（長治醫(yī)學院，山西 長治 046000）

靜脈輸液是十分常見的醫(yī)療治療方式，當輸液瓶中液體流進后，需要由醫(yī)護人員進行更換或拔出，整個過程對于人力的需求量較大，尤其在疾病高發(fā)期，因此，智能化技術(shù)的應用十分有必要。針對RFID 技術(shù)下智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計，主要依賴該技術(shù)非接觸、自動識別的特點，能夠與傳感器相互配合，實時監(jiān)測藥物輸入情況。

1 智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計需求

針對智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)設計需求方面，技術(shù)需要攻破的內(nèi)容包括輸液基本信息監(jiān)測、上下位機間實時通信以及異常狀態(tài)及時報警這3 項設計。

1.1 輸液基本信息監(jiān)測

智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)設計中，需要對輸液基本進行展開監(jiān)測。第一，對于液速方面應用紅外線傳感器技術(shù)，其原理在于，液體在滴落的過程中會發(fā)出紅外線阻擋發(fā)射管，此時接收器部分無法通過接收器，紅外傳感器會發(fā)送低電壓電平脈沖，脈沖數(shù)與液體的滴落數(shù)一致。因此，只需檢測脈沖數(shù)量即可知道液體的滴落情況，再根據(jù)計算獲取速度信息。第二，對于液體是否流盡情況進行檢測。在進行設計時，需要依照“RSSI 信號值在有介質(zhì)條件下減弱”這一現(xiàn)象，將兩張RFID 標簽分別貼在玻璃袋子的上方和下方，其中上方作為對照組，下方作為測試組，當裝入液體后發(fā)現(xiàn)，上下兩個RSSI 信號值存在明顯差異，當液體流盡后下方RSID 標簽又重新恢復信號值，可由此來實現(xiàn)對液體流盡情況的檢測。第三，對液體剩余量進行檢測，針對這一部分，依照先前“標簽RFID 信號值受到液體表面下降程度的影響，信號值明顯衰減”這一現(xiàn)象。可以通過讀寫器檢測標簽判斷信號值變化，再進行數(shù)據(jù)分析對比。在實驗過程中，通過轉(zhuǎn)動輸液器的調(diào)節(jié)按鈕，通過對液體下降過程中標簽信號變化判斷RSSI信號值斷電，從而判斷輸液袋的剩余容量。

1.2 上下位機間的實時通信

針對上下位機間的實時通信，主要依靠RFID 讀寫器，完成對標簽信息的讀取。其中應用RFID 標簽實現(xiàn)遠程激活或通電，經(jīng)過讀寫器群問候發(fā)送標簽信息。為了保證系統(tǒng)能夠順利詢問標簽，可以采用兩種方式，其一是電感耦合，其原理在于利用法拉第電磁感應定律，當RFID 讀寫器感受到標簽中線圈交流段或交流電源時，會產(chǎn)生磁場，此時讀取先去安徽感應到類似磁場，根據(jù)標簽與RFID 讀寫器之間的距離遠近感受感應電壓的強弱。其二是電磁反向散射耦合，相較電感耦合，電磁反向散射耦合能夠刺激標簽激活自身能量，并通過天線發(fā)送無線電波信號，再利用RFID 讀寫器進行信號解析，并產(chǎn)生頻率、相位等信號。在以往的實驗中，發(fā)現(xiàn)部分讀寫器存在“漏度”情況，標簽并未被成功識別，影響系統(tǒng)整體的運行質(zhì)量。造成標簽檢測不到問題的主要原因在于讀寫器信道沖突，當標簽碰撞，讀寫器無法進行精準的識別檢測，影響識別效率。針對此類情況，需要設計防碰撞設計，可應用空分多址法、時分多址法、頻分多址法以及碼分多址法解決。

1.3 異常狀態(tài)下的及時報警

為保證整個輸液過程的順暢性，在設計智能輸液監(jiān)控管理系統(tǒng)時，還應當引入報警機制，及時發(fā)現(xiàn)相關運行操作問題。報警系統(tǒng)在信息反饋界面的設計，本次研究選擇分辨率較高的電阻式鋼化玻璃觸摸屏，具有抗干擾能力強、能耗小的優(yōu)點。對于報警系統(tǒng)，主要包括單片機、近紅外光傳感器、液晶顯示屏、手機和電腦接收端、蜂鳴器等。其中核心部分在于近紅外光傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測輸液袋中流速情況、液位高度等信息。在輸液前，將近紅外光傳感器附著在輸液瓶表面，一旦低于預設液面高度，會發(fā)出電平信號，根據(jù)傳感器所接收信息的變化實現(xiàn)預警控制，利用光導纖維濾出有效信號傳輸。當進行輸液時，報警器會呈現(xiàn)三種警示信息，包括綠色安全狀態(tài)、黃色預警狀態(tài)以及紅色緊急狀態(tài)，通過數(shù)字化形式，以便醫(yī)護人員明確輕重緩急。

2 智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 硬件設計

（1）電子標簽讀寫器。針對電子標簽讀寫器方面，研究選擇英頻杰R2000 系列R84L 型號，在智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)中的應用能夠保證外部界面的豐富性，滿足大部分用戶使用。該型號讀寫器優(yōu)勢在于結(jié)合了工業(yè)計算機和超高頻讀寫器，在R84L 樹莓派核心板中，研究人員設計了開放的開發(fā)環(huán)境，其中的Linux 系統(tǒng)支持二次開發(fā)，可供多人使用。對于該系統(tǒng)的硬件部分設置多個外接接口，支持擴展多套天線，改變以往多設備搭建的無序性和復雜性，有效提升信息獲取精度和閱讀率，保證操作的便捷性、快速性。

（2）射頻天線。針對射頻天線方面，本次研究選擇920 ～950Mhz 頻率的Laird S9028PLR 天線，其特點為圓極化，最大功率為8dBm。該型號射頻天線的優(yōu)勢在于使用量ABS 級外罩材料，能夠做到防水、防灰塵，性價比很高，符合超高頻RFID 技術(shù)下智能輸液監(jiān)測系統(tǒng)的運營環(huán)境需求。

（3）RFID 射頻標簽。針對RFID 射頻標簽的選擇，分為兩個部分，其一是輸液袋上的標簽，相關學者經(jīng)過射頻標簽質(zhì)量比選后最終選擇Alien ALN-9640 型號，長寬為98.18mm×12.31mm，頻段在860 ～960Mhz，其特點在于超高頻、電子無源，包含64 位標簽號，用戶存儲區(qū)512 位，能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫保護。其二是輸液器滴管位置上的標簽，相關學者經(jīng)過射頻標簽質(zhì)量比選后，最終選擇Alien ALN-3010 標簽，長寬為33mm×13mm，頻段在860 ～960Mhz，其特點在于使用U8 芯片，用戶存儲區(qū)為128 位。

（4）無線路由器。針對路由器部分，本次研究選擇HC5661A 的Gee 極路由1s，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸，其速率能夠達到300Mbps，在系統(tǒng)中，該路由器能夠作為PC端與讀寫器的過渡位置，連接二者，確保數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定。該路由器的選擇具有低成本、高效率的優(yōu)勢，且操作簡單，只需要在PC 端直接搜索信號即可，連接后PC 端會直接收到讀寫器數(shù)據(jù)，保證通信穩(wěn)定。

2.2 軟件設計

（1）液面監(jiān)測程序。針對RFID 技術(shù)下智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計需要液面進行監(jiān)測，針對液面的監(jiān)測重點在于檢測液體剩余量情況。首先，需明確液體流盡檢測處理，在此基礎上進行拓展，其原理為：系統(tǒng)供電→初始化后讀寫器發(fā)射電磁波→RFID 標簽通過電磁波反向散射耦合→標簽信息通過天線輻射無線電磁波完成向讀寫器傳輸?shù)倪^程→讀寫器收到信息后傳遞至PC 端→PC 端解析信號→讀寫器對比測試標簽和對照標簽。在以上流程的基礎上，針對液體剩余量的監(jiān)測流程未與之一致。當cnt 賦值為0 時，首先，需要判斷對應的測試標簽RSSI 信號值是否與cnt 賦值一致，即“=0”。在運行程序中，若某一時刻RSSI 值為0，則表示現(xiàn)實中的液面已經(jīng)在標簽下緣的位置，此時剩余量為90%。此時繼續(xù)判斷其他表現(xiàn)，界面顯示的剩余項依次為70%、50%、30%。直至判斷測試是指標簽與對照標簽RSSI 差值大于0，則此時的cnt 加“1”當cnt 賦值達到“3”以上時，則會立即啟動submail 上的短信API 函數(shù)，此時會直接發(fā)送短信至手機端，彈出輸液完成提醒并發(fā)出告警。

（2）流速監(jiān)測程序。針對智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)軟件設計中，需要思考對液體流速的實時檢測辦法，根據(jù)系統(tǒng)的運行需求及運行原理來看，對液體的流速檢測主要依靠液滴震蕩對標簽相位值的影響特征。詳細流程為：系統(tǒng)上電并進行初始化→讀寫器發(fā)射電磁波→RFID標簽通過電磁波反向散射耦合→標簽信息通過天線輻射無線電磁波完成向讀寫器傳輸?shù)倪^程→讀寫器收到信息后傳遞至PC 端→PC 端解析信號。完成以上步驟后，調(diào)用時間函數(shù)獲取當前時間，并判斷當前時間中RFID 標簽相位值域上一時刻標簽中的相位值之間的差異，若差異在“1”以下，則繼續(xù)重復判斷流程，若大于“1”，則會在頁面中顯示一分鐘液體流速。由于液體對RFID標簽相位值產(chǎn)生直接影響，因此會出現(xiàn)相位值衰減情況在1rad 以上。根據(jù)RFID 標簽位置變化情況總結(jié)規(guī)律，并對后續(xù)的液體流速進行預判，將結(jié)果展示在信息頁面中。整個測速過程屬于循環(huán)測量，若判斷已無液體則會停止測量，而后會傳遞信號值報警裝置中，根據(jù)實際情況進行報警。

（3）人機交互界面。針對智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的人機交互頁面設計，研究主要應用Java 三大框架SSM，其工作原理為：在瀏覽器輸入URL 網(wǎng)址→發(fā)出請求→Controller 收到請求→再放置Spring 框架→根據(jù)業(yè)務邏輯開始操作，建立IOC 和DI 與MyBatis 框架之間的聯(lián)系，并在前端頁面中展示數(shù)據(jù)信息。在整個運行過程中，電子標簽讀寫器經(jīng)過對RFID 標簽進行解讀后，其所獲取的數(shù)據(jù)信息能夠?qū)崿F(xiàn)直接存儲，至DB 數(shù)據(jù)庫中。在前端人力交互界面中，應用CSS、Java 以及HTML技術(shù)完成對框架的編寫，并利用Vue 框架確保數(shù)據(jù)與頁面之間的連接性，避免造成數(shù)據(jù)不精準或頁面獲取信息不及時。為方面相關人員及時獲取信息，且保證操作流程的便捷性，在頁面設計部分，包括登錄查詢和輸液狀態(tài)兩個部分。前者的設計運用Spring Security 框架，能夠更好地保證隱私，只能通過賬號和密碼的形式登錄，避免信息被盜用。

3 智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)實驗測試與分析

3.1 測試環(huán)境

本次研究依照先前的設計標準對智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的應用進行實驗檢測，首先搭建實驗室場景，并保證軟件、硬件設計合理，其中讀寫器天線與輸液袋表面正對，標簽背對天線，保證實時讀取信息。利用交叉網(wǎng)線完成路由器與讀寫器的連接，再用電腦搜索無線信號，保證讀寫器、電腦連接穩(wěn)定。完成以上連接工序后，對模塊進行供電。登錄系統(tǒng)并輸入正確的username 和password，完成登錄后即可查驗報警系統(tǒng)液面。該頁面中顯示的內(nèi)容包括：（1）患者輸液狀態(tài)信息；（2）輸入病人床位號后展示個人信息；（3）實時展示當前輸液剩余量百分比和流速；（4）展示患者輸液藥品類型。當液體到達最低限值后，在后臺和醫(yī)護人員的手機終端均會展示患者的房號、床號信息，保證快速鎖定位置。

3.2 測試結(jié)果

本次研究模擬實驗室場景，并進行多次測試，在不同時間內(nèi)分別進行20、40、60、80、100 次試驗，重點※統(tǒng)計分析了智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的液體流速、報警系統(tǒng)、液體剩余量監(jiān)測質(zhì)量。最終結(jié)果顯示，隨著實驗次數(shù)的增加，相關檢測信息的準確率雖然有所下降，但均保持在90%以上，總體來看，系統(tǒng)精度比較穩(wěn)定。

3.3 應用效益

為了進一步檢測智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)的應用準確性，本次研究還設計了不同的場景，包括學校醫(yī)務室、宿舍、室外場地等，均進行100 次實驗，最終結(jié)果顯示，宿舍場景、醫(yī)務室場景外界干擾少，與實驗室場景所測得的結(jié)果詳細，但室外場景的干擾因素相對較多，對系統(tǒng)測試結(jié)果產(chǎn)生一定影響，準確率也下降至90%以下。由此可見，該智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)可以在醫(yī)務室、宿舍等相對安靜、干擾因素少的場景中推廣。

4 結(jié)語

RFID 技術(shù)在智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)中的應用，可以利用液體介質(zhì)與RFID 標簽信號之間的關系完成對液體剩余量的監(jiān)測，并增加自動報警技術(shù)，解決人工投入量大的問題。本次針對RFID 技術(shù)的應用建立智能輸液監(jiān)測管理系統(tǒng)，并引入SSM 框架設計交互界面，保證對各項參數(shù)進行聚合。經(jīng)過實驗后，該系統(tǒng)中液體流盡自動預警準確率能夠達到90%以上，液體剩余量和速度檢測準確率能夠達到85%以上。