袁雨鑫 何俊杰 劉亞夫 向誠(chéng) 袁清

摘 要

設(shè)計(jì)一款一主機(jī)、多從機(jī)結(jié)構(gòu)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。主機(jī)采用STM3 2F4+FPGA架構(gòu)，由信息采集系統(tǒng)、以FPGA為核心的VGA驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)及外設(shè)模塊構(gòu)成。從機(jī)以STM32F1為核心，包括驅(qū)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、Zigbee無(wú)線傳輸模塊以及LCD顯示系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)，護(hù)士只需要一次性將滴液瓶掛在系統(tǒng)分機(jī)上，只需通過(guò)大屏顯示器實(shí)時(shí)地查看和監(jiān)控多個(gè)站點(diǎn)的輸液數(shù)據(jù)等，能有效避免傳統(tǒng)輸液系統(tǒng)因陪護(hù)人或患者的人為疏忽而導(dǎo)致輸液滴完未能及時(shí)換液瓶而帶來(lái)的血液倒吸或空氣輸入血管的現(xiàn)象，消除潛在的安全隱患。

關(guān)鍵詞

物聯(lián)網(wǎng);輸液監(jiān)控;STM32;ZigBee;傳感器檢測(cè)

中圖分類號(hào)： R197.39 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.046

0 前言

隨著我國(guó)老齡化程度的加劇，加之環(huán)境的污染，每天各類醫(yī)院輸液的病人成千上萬(wàn)，我國(guó)已成為“一年百億瓶”的輸液大國(guó)。輸液因其時(shí)間較長(zhǎng)，加之患者在輸液時(shí)容易睡覺(jué)，需要家人陪護(hù)。雖然現(xiàn)在醫(yī)院都裝有各類按鍵式呼叫輸液系統(tǒng)，但還是經(jīng)常因陪護(hù)人或患者本人的疏忽而導(dǎo)致輸液已滴完卻未能及時(shí)換藥瓶而帶來(lái)的血液倒吸或空氣輸入血管的現(xiàn)象，給患者帶來(lái)新的安全隱患。為此，本文設(shè)計(jì)了一款無(wú)人陪護(hù)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用主機(jī)+多從機(jī)結(jié)構(gòu)。其中主控制器通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與各個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)交互，將從機(jī)傳回的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA驅(qū)動(dòng)顯示器實(shí)時(shí)顯示。為適應(yīng)不同環(huán)境應(yīng)用，主機(jī)部分增設(shè)了以太網(wǎng)通信模塊，以滿足護(hù)士站相隔輸液現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)的場(chǎng)所，反之則使用ZigBee通信。主機(jī)還能通過(guò)USB連接鼠標(biāo)或者鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過(guò)語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)警信息的提示。由于系統(tǒng)使用了UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及STemWin圖形操作界面，所需要的內(nèi)存較大，加之系統(tǒng)后期功能升級(jí)，增加一片1M的SRAM，其中128M的Nor-Flash用于數(shù)據(jù)的記錄，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)顯示模塊與STM32F407ZGT6通過(guò)4線硬件SPI的形式進(jìn)行連接，其中DDR2主要用于顯示界面的緩存，Nor-Flash用于存儲(chǔ)字庫(kù)、圖片文件，通過(guò)VGA驅(qū)動(dòng)32寸顯示屏進(jìn)行顯示。主控制器的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

而從控制器通過(guò)稱重傳感器、液滴測(cè)速模塊等來(lái)采集藥瓶的重量、液滴滴速和有無(wú)滴落等，并通過(guò)EEPROM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的存儲(chǔ)，LCD觸摸顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以及通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏心輪實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴下滴速度的調(diào)節(jié)。每一個(gè)分機(jī)都通過(guò)zigbee或者以太網(wǎng)和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從控制器的設(shè)計(jì)框圖如2所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該智能輸液系統(tǒng)的硬件主要由主分系統(tǒng)控制器模塊、主控制器外圍電路、電源模塊、語(yǔ)音模塊、ZigBee模塊、DS3231時(shí)鐘電路、硬件看門狗電路、以太網(wǎng)通信模塊、藥滴滴速檢測(cè)模塊以及稱重模塊等構(gòu)成。限于篇幅，本文僅就主從系統(tǒng)控制器、電源、主控制器外圍電路、ZigBee及藥滴滴速檢測(cè)等幾個(gè)模塊做介紹。

2.1 系統(tǒng)控制器電路設(shè)計(jì)

雖然主、從控制器分別位于不同的PCB板上，但兩者的設(shè)計(jì)大同小異，下面僅介紹主控制器電路設(shè)計(jì)。

主機(jī)系統(tǒng)主要通過(guò)串口來(lái)控制ZigBee無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與各個(gè)分機(jī)的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)SPI總線與FPGA驅(qū)動(dòng)顯示模塊通信，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)通過(guò)VGA接口在大屏LCD上實(shí)時(shí)顯示。因此主控制器選用的STM32至少需要有一個(gè)串口以及一個(gè)四線硬件SPI接口。由于主機(jī)系統(tǒng)需要移植UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及STemWin圖形操作界面，所占內(nèi)存較大。為此選用STM 32F407ZGT6處理器，該處理器是一款以ARM CortexTM-M4為內(nèi)核的32位MCU，具有210DMIPS的運(yùn)算處理能力，高達(dá)1MB的FLASH以及192KB的RAM，可以穩(wěn)定運(yùn)行于168MHz，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

主機(jī)控制器、以太網(wǎng)芯片W5500以及ZigBee模塊均通過(guò)直流3.3V進(jìn)行供電，而FPGA驅(qū)動(dòng)顯示模塊使用5V接口供電。因此供電部分電路較為簡(jiǎn)單，只需要分5V與3.3V兩路供電接口。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，外部電源通過(guò)DC1引入后，通過(guò)AMS1117-3.3將5V的直流電壓轉(zhuǎn)化為3.3V以供STM32F、語(yǔ)音模塊及W5500和ZigBee供電。為了確保電源的穩(wěn)定性，降低電源的波紋，在AMS1117-3.3的輸入與輸出端都增加一對(duì)220uF和0.1uF的電容來(lái)進(jìn)行濾波。

主、從機(jī)系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)一樣。

2.3 主機(jī)系統(tǒng)控制器外圍電路設(shè)計(jì)

考慮功能的升級(jí)，主機(jī)系統(tǒng)增設(shè)一片1MB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）和一片128MB的Nor-Flash。其中SRAM用于擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)存，Nor-Flash用于存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)與配置信息。

2.3.1 SRAM電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)外掛的SRAM（型號(hào)為IS62WV51216。）連接至Bank1塊的第三區(qū)，大小為1MB。其中，F(xiàn)SMC_D0-FSMC_D15為其16位的數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)SMC_A0-FSMC_A18為其19條地址總線。FSMC_NE3對(duì)應(yīng)的是Bank1第三區(qū)的片選引腳，F(xiàn)SMC_NOE為輸出使能引腳，F(xiàn)SMC_NEW為寫(xiě)使能引腳，F(xiàn)SMC_NBL0和FSMC_NBL1分別為奇偶字節(jié)讀寫(xiě)控制引腳，C79和C80為濾波電容，R58位上拉電阻。

2.3.2 Nor-Flash電路設(shè)計(jì)

Nor-Flash同樣掛載至STM32的FSMC總線上，也用Bank1塊，但是接的區(qū)不同：其片選引腳接在STM32對(duì)應(yīng)的FSMC_NE2上;數(shù)據(jù)總線為FSMC_D0-FSMC_D15共16條。其中的FS MC_NOE為輸出使能引腳，F(xiàn)SMC_NEW為寫(xiě)使能引腳，ST_NRST為復(fù)位引腳，F(xiàn)SMC_NWAIT為讀寫(xiě)忙信號(hào)引腳，只需要將這些引腳與STM32中FSMC控制器相關(guān)的引腳對(duì)應(yīng)接在一起即可。

2.4 ZigBee模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線傳輸模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與各個(gè)分機(jī)間的通信，選用DRF1609H模塊，自帶CC2630芯片，通過(guò)UART可以直接與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該模塊可以通過(guò)串口發(fā)送命令將其設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)。其與STM32連接的電路如圖4所示，圖中1腳和2腳為模塊供電引腳，3腳為復(fù)位引腳，4腳為功能按鍵引腳，通過(guò)連續(xù)間隔發(fā)送3個(gè)低電平信號(hào)，該模塊將實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)之間的自動(dòng)組網(wǎng)，7-10引腳本系統(tǒng)未使用，5腳和6腳為UART串口通信引腳連接至STM32的串口。

2.5 藥滴滴速檢測(cè)電路

對(duì)藥滴的滴速的實(shí)時(shí)采集通過(guò)ZigBee或者以太網(wǎng)傳輸至主機(jī)，便于護(hù)士站護(hù)士及時(shí)了解每一個(gè)輸液點(diǎn)的輸液速度。本文采用STM32對(duì)光電三極管的電壓進(jìn)行采樣，這樣無(wú)須重復(fù)多次調(diào)節(jié)電位器。其電路設(shè)計(jì)如圖5所示：LTC2272雙運(yùn)算放大器對(duì)采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波和放大，電路的第一級(jí)為RC與運(yùn)放組成的緩沖放大電路，最大放大倍數(shù)為11;電路的第二級(jí)為Sallen-Key二階低通濾波器，該低通濾波器的截止頻率約為33Hz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括UCOS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植、ST-emWin圖形支持系統(tǒng)移植、主機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、分機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以及串口通信程序設(shè)計(jì)等。主機(jī)軟件主要控制輸液數(shù)據(jù)的顯示與語(yǔ)音告警等，分機(jī)軟件主要控制輸液數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，而連接上位機(jī)和下位機(jī)之間的紐帶就是串口通訊程序設(shè)計(jì)。

3.1 ST-emWin圖形支持系統(tǒng)移植

ST-emWin圖形庫(kù)是Segger公司針對(duì)嵌入式平臺(tái)而開(kāi)發(fā)的圖像軟件庫(kù)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用其提供的函數(shù)接口，可以使設(shè)計(jì)圖形界面非常簡(jiǎn)捷。

首先，在MDK的工程文件目錄下新建三個(gè)文件夾GUI_X、GUI/Config、GUI/Lib，其中GUI_X中的文件GUI_X_uCOS.C主要為支持帶操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)的配置文件。GUI/Config主要存放emWin初始化函數(shù)以及與LCD顯示器相關(guān)的配置信息。GUI/Lib下面為STemWin的庫(kù)文件。在添加好文件后做一些必要的修改以及在程序中使能與STemWin相關(guān)的CRC校驗(yàn)便可使用STemWin設(shè)計(jì)界面。

3.2 主機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分機(jī)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳回會(huì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與分析。當(dāng)分機(jī)傳回的數(shù)據(jù)異常（如滴速過(guò)快等。）時(shí)，將這些信息顯示在大屏幕上并以文字和語(yǔ)音兩種方式同時(shí)報(bào)警，以提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理。其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.3 從機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，包括輸液的滴速以及輸液是否完成，并將采集得到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理與分析，其設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4 調(diào)試結(jié)果

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和模擬輸液測(cè)試，該系統(tǒng)的分機(jī)能正確地實(shí)時(shí)檢測(cè)到液滴的滴速和輸液瓶袋的重量，滴速檢測(cè)范圍為5-200滴/分，滴速檢測(cè)精度高;最大重量檢測(cè)范圍為5Kg，精度為5g;數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee發(fā)送至主機(jī)準(zhǔn)確，主機(jī)分析和更新傳回的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，語(yǔ)音告警和屏幕文字提醒響應(yīng)及時(shí)，調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

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