余學(xué)飛， 賀建衛(wèi)， 李 喆

(南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州510515)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010年中國(guó)輸液總數(shù)達(dá)到104億瓶，大部分醫(yī)院在進(jìn)行靜脈輸液治療時(shí)，都是通過(guò)人眼觀察來(lái)調(diào)整輸液速度，并需要陪護(hù)人員時(shí)時(shí)觀察輸液情況，這就需要花費(fèi)大量的人力物力，且可能在有輸液異常、結(jié)束等情況時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些因素都會(huì)造成醫(yī)療事故的發(fā)生.目前市場(chǎng)上存在一些監(jiān)測(cè)輸液的裝置，像輸液泵、稱(chēng)重式、液面式等，但都存在著一些不足，輸液泵較貴，液面式要求輸液瓶要平放等等.本研究提出的基于ZigBee(一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議)技術(shù)的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能對(duì)輸液狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的信息傳送到醫(yī)護(hù)人員的工作站，不需要陪護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)觀察，醫(yī)護(hù)人員在辦公室就能對(duì)各個(gè)病人的輸液情況進(jìn)行了解，減少了人員消耗，同時(shí)也便于管理.整個(gè)裝置既輕巧又便宜，能適合大多數(shù)醫(yī)院使用.

1 系統(tǒng)組成框架

1.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

圖1所示框圖包括了整個(gè)系統(tǒng)主要的3部分，分別為液滴檢測(cè)部分;MSP430單片機(jī)及外圍電路部分;ZigBee無(wú)線傳輸部分.

圖1 系統(tǒng)硬件電路框圖Fig.1 The system of hardware circuit diagram

液滴檢測(cè)部分主要是利用光電對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)調(diào)制的光源驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，產(chǎn)生的光束透過(guò)滴管到達(dá)光敏三極管的感光面，然后通過(guò)比較電路、鑒頻電路、整形電路等，得到對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)送入到MSP430中進(jìn)行計(jì)數(shù).MCU及外圍電路主要包括鍵盤(pán)電路:用來(lái)設(shè)定輸液的初始值及在緊急情況下能夠報(bào)警;數(shù)碼管電路:顯示輸液的初始值及輸液剩余量;蜂鳴器及LED電路:實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警.MSP430檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)串口傳送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間通過(guò)2.4 GHz的射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，以CC2530為核心，主要工作在2.4 GHz的頻段，具有低功耗、低復(fù)雜性、高安全性、保密性強(qiáng)等特點(diǎn).

1.2 ZigBee傳輸框架

如圖2所示，ZigBee間的數(shù)據(jù)傳輸主要是在終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的傳輸，將MSP430采集到的信號(hào)通過(guò)串口傳輸?shù)絑igBee的主芯片CC2530，此節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，與PC機(jī)連接的ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器.終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立及與PC機(jī)間的通信.終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口接收到MSP430采集到的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到設(shè)備的無(wú)線傳輸模塊中，然后通過(guò)射頻信號(hào)無(wú)線發(fā)送到協(xié)調(diào)器的無(wú)線傳輸模塊，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)協(xié)調(diào)器的串口傳送到上位機(jī).

圖2 ZigBee傳輸框架圖Fig.2 Transmission frame diagram of ZigBee

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)部分的硬件電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路硬件原理圖如圖3所示，由音調(diào)譯碼器U7產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，經(jīng)過(guò)U9進(jìn)行二分頻，再經(jīng)三極管Q2放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光，光束透過(guò)滴管到達(dá)三極管(如圖2_U6部分)，光敏三極管接收到光信號(hào)后，產(chǎn)生一定的光電流，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓比較器U5，將輸出信號(hào)送到鑒頻電路(由U7組成)，其功能是頻率鑒別，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率不等于鑒頻電路的中心頻率f時(shí)，鑒頻電路輸出高電平，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率等于鑒頻電路的中心頻率時(shí)，鑒頻電路輸出低電平.在系統(tǒng)中，將鑒頻電路的中心頻率，也就是5腳產(chǎn)生的頻率調(diào)整至光源的調(diào)制頻率，就能對(duì)3腳的輸入信號(hào)進(jìn)行頻率鑒別.鑒頻電路輸出電平高低的變化反映了是否有液滴通過(guò)，通過(guò)對(duì)鑒頻電路U7輸出脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出液滴的流量.液滴在下落過(guò)程中形狀會(huì)發(fā)生變化，由于光學(xué)特性會(huì)對(duì)輸出脈沖波形產(chǎn)生一定的影響，所以在最后再增加一個(gè)穩(wěn)態(tài)電路U8，來(lái)提高整個(gè)電路的靈敏性.

圖3 檢測(cè)硬件電路圖Fig.3 Detection hardware circuit diagram

2.2 MSP430及外圍硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路如圖4所示，外圍電路主要包括鍵盤(pán)，蜂鳴器，LED燈，數(shù)碼管等電路.按鍵電路由4個(gè)按鍵組成，主要用來(lái)對(duì)溶液的初始量進(jìn)行設(shè)定和在輸液過(guò)程中，有緊急情況需要呼叫醫(yī)生時(shí)使用，蜂鳴器和LED電路用來(lái)進(jìn)行聲光報(bào)警，數(shù)碼管用來(lái)顯示輸液的初始量和剩余量等.

2.3 ZigBee硬件電路設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)16位短地址和一個(gè)64位的長(zhǎng)地址.短地址用于本地網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通信，長(zhǎng)地址則可以與本地網(wǎng)絡(luò)之外的其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信.數(shù)據(jù)傳送采用星形網(wǎng)絡(luò)方式，即各個(gè)終端設(shè)備都直接向協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)，最后中心節(jié)點(diǎn)也就是協(xié)調(diào)器把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中.CC2530主要硬件電路如圖5所示.

CC2530具有低功耗8051的微控制器內(nèi)核，它具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能.電路中使用單極子不平衡的天線，使用一個(gè)巴倫(平衡不平衡轉(zhuǎn)換器)來(lái)最優(yōu)化性能，巴倫使用低成本的分立電感(L2、L3)和電容(C11、C14)實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)晶振 X1選用32.768 K，用于要求非常低的睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用，外部晶振X2選用32 M，用來(lái)滿足時(shí)序要求.

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)電路下位機(jī)程序框圖

如圖6所示，輸液監(jiān)控終端程序主要由初始化模塊和各功能模塊組成.初始化模塊主要包括通信、中斷、定時(shí)器等的初始化，功能模塊主要包括鍵盤(pán)控制、報(bào)警控制、更新數(shù)碼管顯示等.鍵盤(pán)主要通過(guò)查詢(xún)方式，數(shù)碼管顯示采用中斷更新顯示，報(bào)警主要通過(guò)判斷是否有報(bào)警標(biāo)志位，若報(bào)警標(biāo)志位置位，則報(bào)警.

圖4 MSP430部分電路圖Fig.4 Part of the circuit diagram of MSP430

圖5 ZigBee硬件電路圖Fig.5 Hardware circuit diagram of ZigBee

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序框圖

ZigBee的節(jié)點(diǎn)程序框圖如圖7所示，終端節(jié)點(diǎn)上電初始化完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài).若接收到數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度正確，則保存到數(shù)據(jù)列表中準(zhǔn)備發(fā)送到協(xié)調(diào)器，若判斷出接收到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不對(duì)，則重新進(jìn)行讀取.讀取數(shù)據(jù)時(shí)序由定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生，每中斷一次進(jìn)行一次數(shù)據(jù)讀取.只有在中斷產(chǎn)生時(shí)，模塊處于喚醒狀態(tài)，其他時(shí)段都處于休眠狀態(tài)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗.

4 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸

圖6 下位機(jī)監(jiān)測(cè)程序流程圖Fig.6 PC-PLC monitoring program flow diagram

圖7 ZigBee傳輸流程圖Fig.7 Transmission flow chart of ZigBee

Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸是在協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)之間的傳輸，分別給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點(diǎn)上電后，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立，當(dāng)協(xié)調(diào)器建立好整個(gè)網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入此網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)給路由節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)，表示同意路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò).將MSP430采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)判斷串口的RX端口是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)就將此數(shù)據(jù)無(wú)線傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī).在對(duì)協(xié)調(diào)器和路由器的串口進(jìn)行初始化時(shí)，要對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行配置，包括串口配置信息、目的設(shè)備端口、接收序列號(hào)、目的地址等等.

ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，采取兩種措施增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信的可靠性.首先是利用SERIALAPP_MSG_RTRY_EVT(重發(fā)數(shù)據(jù)事件)重發(fā)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)包之前增加SerialApp_SeqTx(序列號(hào))，多次重發(fā)的數(shù)據(jù)不會(huì)被接收節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送到串口.另外還加入了數(shù)據(jù)接收響應(yīng)機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完數(shù)據(jù)后等待接收節(jié)點(diǎn)返回接收數(shù)據(jù)響應(yīng)，收到返回接收數(shù)據(jù)響應(yīng)的命令SERIALAPP_CLUSTERID2(接收數(shù)據(jù)響應(yīng)命令)后，判斷信息包中的接收狀態(tài)參數(shù).若接收狀態(tài)為OTA_DUP_MSG(串口繁忙事件)，表明接收點(diǎn)串口繁忙，應(yīng)啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制，若接收狀態(tài)為OTA_SUCCESS(接收成功命令)，表明接收節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)成功發(fā)送到串口，應(yīng)釋放緩存區(qū)，等待串口接收下一包數(shù)據(jù).

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，將MSP430、路由器、協(xié)調(diào)器和PC上位機(jī)的波特率設(shè)為一致，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位.

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試

5.1 實(shí)驗(yàn)具體操作

輸液量是通過(guò)測(cè)量茂菲氏滴管的液滴滴數(shù)來(lái)計(jì)算的，常用的茂菲氏滴管的規(guī)格有15、20 d/mL，本設(shè)計(jì)選用20 d/mL的輸液器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

首先給液滴檢測(cè)電路上電，上電后按下鍵盤(pán)電路中的S2建(圖4所示)，表示準(zhǔn)備設(shè)定輸液的容量，現(xiàn)在一般的輸液容量包括4種規(guī)格:100、250、500、1 000 mL，按S3鍵表示從小到大設(shè)定(100→250→500→1 000)，按S4鍵表示從大到小開(kāi)始設(shè)定(1 000→500→250→100)，設(shè)定好容量后，再按下S2鍵，檢測(cè)電路開(kāi)始檢測(cè)是否有液滴通過(guò)并進(jìn)行計(jì)數(shù).然后給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器上電，協(xié)調(diào)器開(kāi)始建立網(wǎng)絡(luò)，等協(xié)調(diào)器建立好網(wǎng)絡(luò)后，給終端設(shè)備上電，讓終端設(shè)備加入?yún)f(xié)調(diào)器建立好的網(wǎng)絡(luò)，最后打開(kāi)輸液管開(kāi)始輸液，整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始工作.

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用數(shù)碼管來(lái)顯示實(shí)際測(cè)到的液滴數(shù)，同時(shí)將測(cè)到的液滴數(shù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C機(jī)，在PC機(jī)上觀察接收到的數(shù)據(jù)是否與數(shù)碼管顯示一致.以人眼觀測(cè)到的液滴數(shù)為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但因?yàn)槿搜鄢掷m(xù)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，也很難做到長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，所以先將各次實(shí)驗(yàn)的輸液過(guò)程拍攝下來(lái)，然后對(duì)液滴進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)將PC機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以便進(jìn)行對(duì)比.將剩余報(bào)警量設(shè)定為整個(gè)容量的5%，也就是當(dāng)剩余的容量少于初始容量的5%時(shí)，蜂鳴器報(bào)警.(液滴誤差=|實(shí)際滴數(shù)－數(shù)碼管顯示的滴數(shù)|/實(shí)際滴數(shù)、誤碼率=傳輸?shù)腻e(cuò)誤數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)/ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù))

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Experimental test data

根據(jù)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)輸液速度小于100 d/min時(shí)，液滴的誤差率維持在1%以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于報(bào)警容量的5%，并且正常輸液速度都小于100 d/min，所以能滿足需要.

5.3 誤差分析

(1)實(shí)際液滴數(shù)用人眼來(lái)觀察，在計(jì)數(shù)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差.

(2)雖然采用了調(diào)制解調(diào)電路，但只能在一定程度上減小外界光對(duì)紅外光的干擾，不能完全消除外界光的干擾.

(3)輸液管受到外界干擾會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，紅外光可能無(wú)法照射到液滴上面，使計(jì)數(shù)產(chǎn)生誤差.

(4)系統(tǒng)電路本身具有一定的靈敏度，當(dāng)液滴滴速過(guò)快時(shí)，導(dǎo)致某些信號(hào)無(wú)法采樣，從而導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差.

(5)某些液滴在下落過(guò)程中，會(huì)與后一滴液滴形成不規(guī)則的形狀，導(dǎo)致計(jì)數(shù)誤差.

(6)誤碼率的存在，是因?yàn)椴ㄌ芈实钠ヅ?，雖然MSP430和CC2530采用了相同的波特率，但都存在一定的誤差.

(7)ZigBee屬于無(wú)線傳輸，在無(wú)線環(huán)境中傳輸，必然存在衰落和干擾等問(wèn)題.

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在醫(yī)院現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭載上去，利用醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)對(duì)輸液進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，在一定程度上減輕了醫(yī)護(hù)人員和陪護(hù)人員的勞累程度，同時(shí)也方便管理，使得整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)更加完善.整個(gè)系統(tǒng)綜合考慮了穩(wěn)定性、低功耗、低成本等方面的因素，具有使用方便、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠適合大多數(shù)醫(yī)院推廣使用.

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