郭鶴魁，任雨航，馬靖文，戴舟堯，薛 清

（江蘇海洋大學(xué)理學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中，“智慧醫(yī)療”是人們熱議話題之一，其中，醫(yī)院內(nèi)靜脈輸液的監(jiān)控管理是智慧醫(yī)療中的短板。目前，中國每年大約有1.6億人進(jìn)行靜脈輸液，傳統(tǒng)靜脈輸液過程中需要家屬看護(hù)，需要時(shí)刻關(guān)注藥液余量，并且存在換藥尋找護(hù)士困難等問題[1]，這些問題甚至?xí){病人的生命安全[2]。本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院點(diǎn)滴監(jiān)測管理系統(tǒng)針對這一痛點(diǎn)提出了很好的解決方案。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院點(diǎn)滴檢測管理系統(tǒng)應(yīng)用了無線通信對每個(gè)部分進(jìn)行連接控制，系統(tǒng)由硬件、軟件兩大部分組 成。其中，硬件系統(tǒng)共 分為三部分：每 個(gè)病房的總控制器部分、病床輸液 裝置控制部分、護(hù)士站電腦端專用接收機(jī)部分。每個(gè)部分均采用STM32作為核心控制，使用Wi-Fi，LORA，NRF24L01技術(shù)進(jìn)行星型無線組網(wǎng)透傳，實(shí)現(xiàn)子設(shè)備間通信。軟件系統(tǒng)共分為兩部分：護(hù)士站電腦端顯示軟件、用戶端微信小程序。

系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)變片測力、二維碼識 別、TTS模塊、溫度傳感 器、液晶屏、蜂鳴器、SIM900C模塊、舵機(jī)、滴速控制裝置等器件連接，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)測管理、輸液余量告警、滴速智能調(diào)節(jié)控制、藥瓶識別語音播報(bào)、滴速檔位手動(dòng)調(diào)節(jié)、冬季輸液智能加熱、體溫和心率測量。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主 要 包 括：以STM32芯片為核心，傳感器和被控設(shè)備為外圍的硬件設(shè)施；以LORA+NRF24L01無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行局域組網(wǎng)；通過ESP8266 Wi-Fi模塊基于MQTT協(xié)議進(jìn)行云服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接，控制顯示；手機(jī)和電腦兩大人機(jī)交互端用于顯示和控制；利用SIM900C模塊發(fā)送告警短信；利用二維碼掃碼模塊讀取藥瓶信息并通過語音播報(bào)模塊播報(bào)相關(guān)信息；利用舵機(jī)設(shè)計(jì)滴速控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對滴速的控制。

圖1 系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)圖

1.3 交互設(shè)計(jì)

將傳感器采集的輸液數(shù)據(jù)整合，具有參考意義的數(shù)據(jù)可顯示在觸控液晶屏、移動(dòng)端及電腦端。選用可觸控的液晶屏的方便之處在于省去很多不必要的開關(guān)按鍵，一塊屏幕便可以將所有的內(nèi)容統(tǒng)一顯示，而且方便后續(xù)的重復(fù)使用與系統(tǒng)升級。在移動(dòng)端經(jīng)對比選用基于云平臺的微信小程序，在電腦端采用多接口接入的應(yīng)用程序，因?yàn)檫@更加符合我們實(shí)際使用時(shí)的短時(shí)操作，并且它的整體開發(fā)流程較為簡單。

通過三大人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對醫(yī)院內(nèi)靜脈輸液情況的智能化監(jiān)控管理，病人或監(jiān)護(hù)人可以通過手機(jī)或病房內(nèi)液晶顯示屏交互查看自己的輸液情況；醫(yī)護(hù)人員可以通過電腦或病房內(nèi)液晶顯示屏、手機(jī)等交互方式監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)所有病床正在進(jìn)行靜脈輸液的情況，解決了病人與護(hù)士在醫(yī)院輸液方面的所存在諸多問題。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

系統(tǒng)的程序邏輯如圖2所示，每次在系統(tǒng)通電后程序都會(huì)進(jìn)入無線傳輸參數(shù)配置，然后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)檢測接收以及處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，單片機(jī)對各個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)行判斷針對各個(gè)事件運(yùn)行相應(yīng)的處理程序。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分包含了6部分組成：電腦端可視化數(shù)據(jù)顯示軟件；電腦端藥物二維碼標(biāo)簽錄入數(shù)據(jù)庫軟件；手機(jī)微信小程序數(shù)據(jù)顯示軟件；護(hù)士站控制器驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)；病房控制器驅(qū)動(dòng)軟件實(shí)現(xiàn)；靜脈輸液裝置控制裝置軟件實(shí)現(xiàn)。每部分均使用無線通信技術(shù)，采用JSON數(shù)據(jù)格式以及自定義數(shù)據(jù)包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，手機(jī)端主要采用MQTT協(xié)議與云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)包采用JSON格式，通過SSL/TLS加密技術(shù)對用戶身份進(jìn)行加密，確保數(shù)據(jù)的安全可靠。

3 分析和論證

3.1 滴速控制分析

輸液滴速控制模塊的按下式機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由舵機(jī)和杠桿結(jié)構(gòu)組成，其中杠桿計(jì)算公式為：

式中，r是杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐半徑；l和l1是杠桿兩端的長度；P為所需要的力；Q為夾緊力；K1為近地面摩擦系數(shù)。

舵機(jī)的型號為MG995，舵機(jī)的電氣參數(shù)為：工作扭矩13 kg/cm，反應(yīng)轉(zhuǎn)速53-62R/M，死區(qū)設(shè)定4μm。采用該舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對杠桿機(jī)械裝置受力，從而達(dá)到控制滴速的目的。

舵機(jī)大致分為以下幾個(gè)角度，根據(jù)舵機(jī)初始化位置的不同進(jìn)行對脈沖時(shí)間細(xì)分，即可實(shí)現(xiàn)微小轉(zhuǎn)動(dòng)：0.5 ms——0°；1.0 ms——45°；1.5 ms——90°；2.0 ms——135° ；5 ms——180°。

當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位 置時(shí)，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)其到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將自動(dòng)保持該位置。所以對于數(shù)字舵機(jī)而言，PWM信號提供的是目標(biāo)位置，跟蹤運(yùn)動(dòng)要靠舵機(jī)本身。采用的MG995模擬舵機(jī)需要時(shí)刻供給PWM信號，舵機(jī)自己不能鎖定目標(biāo)位置，所以我們的控制系統(tǒng)是一個(gè)目標(biāo)規(guī)劃系統(tǒng)。經(jīng)反復(fù)測試，控制所需的PWM寬度為0.5 ms～2.5 ms，寬度2 ms。2 ms÷250=8 μs，所以得出PWM信號=1°/8μs，加上適長的力臂即可實(shí)現(xiàn)滴速精確控制。

3.2 滴速控制統(tǒng)計(jì)

表1 多級滴速對應(yīng)的點(diǎn)滴滴速表

滴速控制統(tǒng)計(jì)測試得表1數(shù)據(jù)，對該滴速控制機(jī)械裝置測試可達(dá)10級不同滴速，該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的滴速完全滿足兒童或成年人健康輸液滴速標(biāo)準(zhǔn)，該功能測試結(jié)果正常。

3.3 無線傳輸性能分析

系統(tǒng)利用多種無線通信模塊實(shí)現(xiàn)各部分控制之間的數(shù)據(jù)無線收發(fā)，由于系統(tǒng)在無線組網(wǎng)過程中涉及大量數(shù)據(jù)信息的傳輸交互，因此，數(shù)據(jù)傳輸過程中信號干擾是難以避免的，為了確保上位機(jī)軟件與下位機(jī)控制器建立可靠通信，通信雙方必須遵守相應(yīng)的協(xié)議，避免信號干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)而造成接 收堵塞等問題，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

在本系統(tǒng)的運(yùn)行測試過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)交互過程中設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔較短時(shí)，無線通信模塊發(fā)送端發(fā)送緩存溢出和接收端接收緩存溢出等問題會(huì)導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象。經(jīng)過修改軟件定時(shí)發(fā)送時(shí)間并加入自定義協(xié)議后，解決了發(fā)送接收堵塞問題，真正地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖3 實(shí)物圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)院點(diǎn)滴監(jiān)測管理系統(tǒng)，通過無線傳輸技術(shù)以及各個(gè)傳感器硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對醫(yī)院內(nèi)靜脈輸液情況的智能化監(jiān)控管理，解決了病人與護(hù)士對于目前醫(yī)院輸液方面的所存在諸多問題，同時(shí)，患者在使用本系統(tǒng)進(jìn)行輸液監(jiān)控時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)電線纏繞等問題。

本文在最初選定設(shè)計(jì)方案時(shí)查看并分析了大量資料，最終采用了多終端無線傳輸控制以及自主設(shè)計(jì)的滴速控制機(jī)械裝置的方案，該方案的最大特點(diǎn)是不需要改變傳統(tǒng)的輸液裝置，只需要在傳統(tǒng)的輸液裝置上增加本設(shè)計(jì)的四部分控制器，即可實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)靜脈輸液情況的智能化監(jiān)控管理。在設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無線化、輕便化、一體化以及綜合化。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)目的是為了讓系統(tǒng)變得方便、靈活，方便醫(yī)護(hù)人員、患者以及監(jiān)護(hù)人操作。本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了輸液余量實(shí)時(shí)監(jiān)測、滴速智能調(diào)節(jié)以及手動(dòng)控制、短信提示、 藥瓶識別播報(bào)、一鍵呼叫護(hù)士、輸液加熱、智能告警等功能。