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(yī)院中常用的治療方式，在輸液治療過程中，需要根據(jù)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(jiān)控普遍采用人工方式，醫(yī)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(xiàn)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(fā)生嚴重醫(yī)療事故，影響患者的生命安全[1]。

目前，傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)多采用二線制、四線制或RS485等有線傳輸方式，需要在醫(yī)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(tǒng)擴展勝不強，而且實現(xiàn)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(wǎng)絡通信技術的廣泛應用，現(xiàn)代監(jiān)測系統(tǒng)的自動化程度越來越高，無線通訊技術在自動監(jiān)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(yī)院的實際要求，提出以單片機AT89C51和nRF905無線收發(fā)芯片為控制核心，采取應答式雙向通信的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，能實現(xiàn)輸液速度自動調節(jié)，輸液完成報警，自動切斷輸液，遠程監(jiān)控等功能。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有很好的應用前景。

1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)由上位PC主機、監(jiān)控接收總站節(jié)點、現(xiàn)場監(jiān)控子節(jié)點等模塊組成。通過無線傳輸模塊將各監(jiān)控子節(jié)點連接成一個分布式網(wǎng)絡，系統(tǒng)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(tǒng)的控制中心，可以跟控制系統(tǒng)中的任何一個監(jiān)控子節(jié)點通信，負責各病床輸液數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送、輸液過程的實時顯示等。監(jiān)控子節(jié)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(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進行分析處理，完成相應的操作。監(jiān)控子節(jié)點也可以脫離控制中心，直接進行現(xiàn)場手動控制[2]。系統(tǒng)結構如圖1所示。建立一個無線網(wǎng)絡的前提和基礎是選擇一個合理的網(wǎng)絡拓撲，網(wǎng)絡拓撲的結構可以決定網(wǎng)絡的成本、速度、特點和實現(xiàn)的功能。該控制系統(tǒng)采用的星型拓撲結構能夠很好地擴展組合，容易增加系統(tǒng)中節(jié)點，滿足醫(yī)院在以后增減床位的需要，而且成本低。實踐證明，星形網(wǎng)絡結構簡單，實用可靠。

圖1 系統(tǒng)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(tǒng)設計中非常關鍵，其性能好壞直接影響到系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)中的無線通信模塊應具有如下特性：具有發(fā)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?？紤]到醫(yī)院有多間病房，并且醫(yī)務監(jiān)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(tǒng)選用挪威Nordic公司生產(chǎn)的無線芯片nRF905，nRF905工作電壓可低至1.9V，最大發(fā)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(jiān)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(xiàn)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(fā)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(jié)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(wěn)壓芯片輸出3.3 V電壓，使用TPS7301穩(wěn)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(fā)器nRF905信號發(fā)射功率+10dBm，經(jīng)ADL5530功率放大芯片放大后，信號發(fā)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(tǒng)更加穩(wěn)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(fā)射軟件設計

當控制模塊開始向接收端傳輸數(shù)據(jù)的時候，經(jīng)過SPI接口將所要用的接收端的地址和有效數(shù)據(jù)依一定的時序發(fā)往nRF905，發(fā)送的速率通過已經(jīng)設定的協(xié)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(fā)送之前的數(shù)據(jù)，一直等到TRX_ CE變?yōu)榈碗娖?。一旦TRX_ CE變?yōu)榈碗娖?，結束數(shù)據(jù)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(jīng)將數(shù)據(jù)報發(fā)送完，接下來啟動數(shù)據(jù)的接收模式。圖5 顯示的是發(fā)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(shù)據(jù)時的模式[5]。nRF905開始偵聽周圍環(huán)境中是否有信號，一旦監(jiān)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(jīng)過CRC檢測，確認收到了有效數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)頭上的前導地址以及CRC位去掉，然后DR被拉高?？刂颇K拉低TRX??_CE，然后啟動了待機模式，控制模塊以一定的速度經(jīng)過SPI口讀出數(shù)據(jù)。一旦讀取完了全部的數(shù)據(jù)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(fā)送模式，把當前SPI寄存器里面的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

圖5 無線發(fā)送流程圖

圖6 無線接收流程圖

6 鍵盤模塊

現(xiàn)場監(jiān)控子站鍵盤電路用于設定點滴速度，根據(jù)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(shù)碼顯示管即可實現(xiàn)滴速顯示。本系統(tǒng)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(shù)碼管提供數(shù)據(jù)。P0.4～P0.6作為行選信號與數(shù)碼顯示管相連；將P1.0～P1.7作為按鍵接口，實現(xiàn)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(jiān)控界面

輸液監(jiān)控管理軟件是在 Windows環(huán)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?？梢暬O(jiān)控界面用于醫(yī)療單位的輸液監(jiān)控，由下位機完成數(shù)據(jù)檢測、執(zhí)行，上位機進行集中管理，并實現(xiàn)形象直觀的可視化操作界面，上位機的輸液監(jiān)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(xiàn)，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(jiān)控器的數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)控輸液系統(tǒng)，滿足了臨床輸液監(jiān)護的需要。該輸液監(jiān)控系統(tǒng)對輸液過程進行了實時監(jiān)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(fā)出報警信號，代替了傳統(tǒng)的人工不定時的巡檢，使醫(yī)護工作人員在工作強度大大降低的情況下提高了監(jiān)護質量，具有一定的實際意義?，F(xiàn)場使用表明，該系統(tǒng)功能完善、通信可靠、安裝施工簡中、易于擴展，比現(xiàn)有的有線呼叫系統(tǒng)更有優(yōu)勢。

[1]刁惠民,詹憲鳳,季兵.靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)設計[J].2011,38（4）：404-407.

[4]崔巍.基于無線通訊技術的MOA狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)的研制[D].浙江工業(yè)大學,2010.

[6]鐘軍.Visual Basic數(shù)據(jù)庫高級實例導航[M].北京科學出版社,2004.