高伊慧，劉忠富，黃金秋，劉 曦，寇耀文

(大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連116600)

0 引 言

隨著近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步以及智能化設(shè)備的飛速發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備的智能化逐漸成為醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)如今的輸液設(shè)備都是由人工進(jìn)行監(jiān)護(hù)管理，但在人工監(jiān)護(hù)過程中極容易出現(xiàn)意外，導(dǎo)致醫(yī)療事故的發(fā)生；傳統(tǒng)的人工監(jiān)護(hù)方式也極大地增加了醫(yī)療成本，并過量消耗了醫(yī)護(hù)資源。因此，對(duì)患者輸液過程進(jìn)行智能化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域研究學(xué)者均對(duì)醫(yī)療設(shè)備的智能化進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。如，文獻(xiàn)［1］中對(duì)基于無線藍(lán)牙靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)；Hagihghi Reza也在pub期刊發(fā)表了《A miniaturized piezo resistive flow sensor for real-time monitoring of intravenous infusion.》一文，詳細(xì)闡述微型壓阻流量傳感器對(duì)于靜脈輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用［2］。

本文以STM32單片機(jī)為核心控制處理器的下位機(jī)系統(tǒng)［3］，選用多種類型傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液過程中的關(guān)鍵參數(shù)。其中包括藥液流速、藥液剩余量以及藥液溫度等；數(shù)據(jù)采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷數(shù)據(jù)是否在預(yù)先設(shè)定合理范圍之內(nèi)；通過設(shè)計(jì)ZigBee無線通信接口，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)將信息傳送給PC端上位機(jī)［4］，從而實(shí)現(xiàn)輸液異常情況的遠(yuǎn)程報(bào)警功能，提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)到達(dá)輸液現(xiàn)場(chǎng)對(duì)出現(xiàn)狀況進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要由核心處理器、采集數(shù)據(jù)電路以及無線數(shù)據(jù)傳輸、報(bào)警處理控制等模塊組成。軟件部分主要是整體系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)并根據(jù)需求進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。并通過軟件程序驅(qū)動(dòng)硬件從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)首先通過流速監(jiān)控電路對(duì)流速進(jìn)行檢測(cè)；藥量監(jiān)控電路對(duì)藥液剩余量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；溫度監(jiān)控電路對(duì)藥液溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在發(fā)生異常情況時(shí)下位機(jī)系統(tǒng)會(huì)通過聲光報(bào)警形式進(jìn)行報(bào)警，并顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；通過無線傳輸系統(tǒng)將報(bào)警信息發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行顯示從而提醒醫(yī)護(hù)工作人員及時(shí)進(jìn)行處理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System design block diagram

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由微處理器系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)信息采集電路、數(shù)據(jù)無線傳輸電路等組成。微處理器電路主要以STM32F103RCT6最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)控制電路；數(shù)據(jù)采集包括紅外傳感器及其外圍電路，用來對(duì)輸液過程中的流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；可懸掛式稱重傳感器及其外圍電路進(jìn)行藥液質(zhì)量的采集，從而實(shí)現(xiàn)藥液剩余量的監(jiān)控。溫度采集由DS18B20溫度傳感器及外圍電路組成，其作用為進(jìn)行藥液溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。ZigBee無線傳輸電路和USB轉(zhuǎn)TTL電路組成了無線傳輸電路，在出現(xiàn)異常情況時(shí)本系統(tǒng)會(huì)通過驅(qū)動(dòng)此電路將報(bào)警信息發(fā)送到上位機(jī)。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控芯片。該單片機(jī)是STM32系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型，復(fù)位電路與單片機(jī)的NRST接口相連接。時(shí)鐘振蕩電路由2個(gè)組成:一個(gè)連接8 MHz的晶振，可以使單片機(jī)在72 MHz的震蕩頻率下滿負(fù)荷工作，2個(gè)接口分別連接單 片 機(jī) 的PD0和PD1端；另 一 個(gè) 使 用 了32.768 MHz的晶振，可以使單片機(jī)在極低的主頻率下進(jìn)行工作，從而降低使用功耗，2個(gè)接口分別連接單片機(jī)上的PC14和PC15端。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路Fig.2 Minimum system circuit of single chip microcomputer

2.2 藥液溫度監(jiān)測(cè)電路

藥液溫度測(cè)量模塊選用的是數(shù)字傳感器DS18B20。該傳感器與單片機(jī)之間的通信協(xié)議為單總線傳輸協(xié)議，并且只有一個(gè)數(shù)據(jù)端口與單片機(jī)的I／O相連接，向單片機(jī)直接傳輸數(shù)字信號(hào)。由數(shù)據(jù)芯片使用手冊(cè)中得知，本模塊采用5 V電源進(jìn)行供電，并且外圍電路相對(duì)簡單，只需要外接10K的上拉電阻便可以對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量［5］。

2.3 藥液滴速監(jiān)測(cè)電路

藥液滴速檢測(cè)采用紅外傳感器，其工作原理是:通過傳感器內(nèi)部的紅外發(fā)射二極管不斷地發(fā)射紅外線，在液滴滴落的瞬間會(huì)將紅外線反射回來；同時(shí)，傳感器本身也會(huì)對(duì)光進(jìn)行檢測(cè)，如果沒有接收到反射回來的紅外線，系統(tǒng)不進(jìn)行處理，否則模塊的輸出引腳會(huì)產(chǎn)生高低電平轉(zhuǎn)換。在正常檢測(cè)液滴滴速時(shí)，系統(tǒng)通過檢測(cè)2個(gè)上升沿的時(shí)間差來算每滴液滴的滴速（即2次液滴的時(shí)間間隔）。VCC和GND分別接3.3 V電源和GND；單片機(jī)的PC5接口為本模塊外接的數(shù)據(jù)傳輸端口。在接受到紅外線反射后，信號(hào)會(huì)被電路中的放大器進(jìn)行放大，通過濾波、檢波和整形等步驟輸出檢測(cè)信號(hào)［6］。紅外無線傳感器的內(nèi)部原理如圖3所示。

圖3 光耦紅外傳感器原理Fig.3 Principle of opt coupler infrared sensor

2.4 藥液質(zhì)量監(jiān)測(cè)電路

利用懸掛模式稱重傳感器組成的測(cè)量電路，測(cè)出藥液的重量信號(hào)，由差動(dòng)放大器電路把傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，然后送A／D轉(zhuǎn)換電路中。由A／D轉(zhuǎn)換電路把接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，單片機(jī)會(huì)對(duì)藥液質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，如果藥液量低于設(shè)定量的5%，則會(huì)通過無線模塊進(jìn)行報(bào)警。HX711稱重模塊使用5 V電源進(jìn)行供電。與單片機(jī)的接口連接為:PD＿SCK引腳接單片機(jī)PA11引腳，DOut接單片機(jī)PA12引腳。硬件原理如圖4所示。本模塊的工作原理為，在U5元件部分通過E+、E-、S+、S-與電阻式稱重傳感器相連接，采集到的重量信號(hào)通過電路圖中的放大器對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行放大，并由HX711片進(jìn)行處理從而得到模擬重量信號(hào)［7］。

圖4 HX711稱重傳感器原理Fig.4 Principle of HX711 load cell

2.5 無線數(shù)據(jù)傳輸電路

本系統(tǒng)在無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用了以CC2530作為板載芯片的集成ZigBee無線收發(fā)模塊。ZigBee無線通信模塊支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、點(diǎn)對(duì)多通信，同時(shí)也支持組網(wǎng)功能［8］。

ZigBee無線通信模塊電路由CC2530芯片及其外圍電路組成，通過串口與微控制器之間進(jìn)行通信，故將本模塊的TXD和RXD引腳連接到主控制器的PA10和PA9引腳。本模塊采用3.3 V電源進(jìn)行供電，其損耗較低，可節(jié)約用電成本。無線傳輸?shù)慕邮斩瞬捎肬SB轉(zhuǎn)TTL與PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。無線傳輸模塊電路如圖5所示。

圖5 ZigBee無線傳輸模塊電路Fig.5 ZigBee wireless transmission module circuit

2.6 電源電路

由于系統(tǒng)無功率較大的傳感器，主控芯片采用5 V電源電路進(jìn)行供電?？紤]到本設(shè)備的簡易性，故采用鋰電池供電。因系統(tǒng)中部分傳感器使用3.3 V電源，在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)，使用ASM1117芯片作為5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路設(shè)計(jì)的處理芯片。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。下位機(jī)軟件包括:數(shù)據(jù)采集程序、無線收發(fā)程序、系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序；上位機(jī)主要由界面軟件程序組成。系統(tǒng)中主要將下位機(jī)程序下載到STM32F103RCT6單片機(jī)中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)在PC端顯示下位機(jī)采集到的信息以及報(bào)警信息等。下位機(jī)中的程序主要使用C語言進(jìn)行編寫，C語言是結(jié)構(gòu)化編程語言，可降低軟件程序的耦合性，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的單獨(dú)調(diào)試，以及各個(gè)模塊的單獨(dú)運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生互相干擾的情況。上位機(jī)界面主要通過C++編程語言進(jìn)行編寫。

3.1 下位機(jī)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)的軟件開發(fā)以windows10作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，使用Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境完成開發(fā)工作。下位機(jī)軟件中主要實(shí)現(xiàn)的功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警信息處理等功能。主程序工作流程如下:

（1）程序啟動(dòng)后首先檢查無線模塊連接是否正常。正常連接情況下，對(duì)傳感器傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。

（2）將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)傳到微處理器中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析及處理，將數(shù)據(jù)處理后顯示在顯示屏幕上。

（3）對(duì)數(shù)據(jù)的合理情況進(jìn)行檢查。合理則繼續(xù)檢測(cè)，否則啟動(dòng)聲光報(bào)警程序和無線報(bào)警程序。

①溫度檢測(cè)。首先進(jìn)行傳感器初始化檢測(cè)，完成通過傳感器的ROM指令，讀取采集數(shù)據(jù)并對(duì)高低位數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，輸出溫度數(shù)值。

②藥液滴速檢測(cè)。首先檢測(cè)紅外傳感器初始化是否完成，完成后通過傳感器內(nèi)部電路發(fā)射紅外線，而后檢測(cè)反射紅外線，如果檢測(cè)到反射紅外線則進(jìn)行輸出接口的高低電平轉(zhuǎn)換。

③液體質(zhì)量檢測(cè)。檢查初始化是否完成，如果監(jiān)測(cè)未完成初始化，則對(duì)初始化循環(huán)監(jiān)測(cè)。初始化完成后通過監(jiān)測(cè)電阻應(yīng)變化的變化程度，計(jì)算質(zhì)量信號(hào)的變化，并通過內(nèi)部電路對(duì)質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行放大，最后輸出重量的模擬量信號(hào)。

3.2 上位機(jī)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件以Windows10作為操作系統(tǒng)平臺(tái)，采用QT圖形化界面開發(fā)軟件完成開發(fā)工作。

上位機(jī)主要作為下位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收，以及報(bào)警信息接收軟件。其主要實(shí)現(xiàn)串口信息接收、十六進(jìn)制數(shù)據(jù)接收、文本數(shù)據(jù)接收、以及保存接收數(shù)據(jù)到指定文件等功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在整體系統(tǒng)調(diào)試過程中，分別進(jìn)行了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常與不正常（故障注入）情況下的測(cè)試。在進(jìn)行故障注入測(cè)試時(shí)，會(huì)正常報(bào)警，下位機(jī)通過聲光進(jìn)行報(bào)警。由圖6和圖7中可進(jìn)行對(duì)比，在剩余藥液為0%，滴速為0時(shí)報(bào)警燈被點(diǎn)亮。

圖6 無異常現(xiàn)象Fig.6 No abnormal phenomenon

圖7 有異?，F(xiàn)象Fig.7 Abnormal phenomenon

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的智能輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機(jī)為處理器作為控制端，通過ZigBee無線通信模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)發(fā)送和報(bào)警信息的傳輸。以PC端上位機(jī)作為信息接收終端。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、信息傳輸、以及異常情況報(bào)警等功能。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，并且也極大地避免了醫(yī)療事故的發(fā)生。經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。