羅藝嫻，?？?，鄒瀟晗，曾偉，許廣慶

（云南大學(xué)信息學(xué)院，云南昆明 650500）

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速，但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)只有少數(shù)醫(yī)院在輸液時(shí)使用智能系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)輸液方式，大多數(shù)醫(yī)院仍然依靠人工監(jiān)督輸液狀態(tài)。人工監(jiān)督方式不但增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量，而且也存在獨(dú)自輸液的病人在輸液狀態(tài)異常時(shí)不能及時(shí)求助等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)——Anxin（取自中文“安心”），醫(yī)護(hù)人員通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)能夠高效管理病患，病人家屬可以通過(guò)手機(jī)APP 實(shí)時(shí)監(jiān)控病人情況，實(shí)現(xiàn)了輸液系統(tǒng)的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化管理。新技術(shù)與醫(yī)療的結(jié)合已經(jīng)成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?？梢苿?dòng)性強(qiáng)、智能化高的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用給人們展現(xiàn)了一個(gè)高效、便捷、可靠的醫(yī)療衛(wèi)生前景[1]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要針對(duì)解決靜脈輸液中的問(wèn)題進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)[2]，如病人在輸液時(shí)可能處于無(wú)意識(shí)狀態(tài)，無(wú)力通知護(hù)士來(lái)關(guān)閉輸液系統(tǒng)，以及輸液過(guò)程中病人出現(xiàn)跑針、過(guò)敏和體征危機(jī)反應(yīng)等危險(xiǎn)現(xiàn)象無(wú)法及時(shí)通知醫(yī)生護(hù)士和家屬，從而導(dǎo)致醫(yī)生、護(hù)士和家屬有效監(jiān)護(hù)困難，醫(yī)生治療反饋滯后等問(wèn)題。

1.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案主要由3 部分組成：下位機(jī)是以STM32F103ZET6 為核心的主控板[3]，在其上集成ESP8266 WiFi模塊、HMI串口液晶觸摸屏模塊、HX711壓力傳感器、Eixpsy 槽型光耦傳感器、MG996R 金屬舵機(jī)和蜂鳴器，上位機(jī)為PC 端的網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)端的APP。下位機(jī)通過(guò)ESP8266 WiFi 模塊連接至阿里云平臺(tái)后，使用MQTT 協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

1.2 系統(tǒng)功能與指標(biāo)

系統(tǒng)工作流程如下：

病人進(jìn)行靜脈輸液時(shí)，下位機(jī)上Eixpsy 槽型光耦傳感器采集實(shí)時(shí)滴速數(shù)據(jù)，壓力傳感器采集實(shí)時(shí)余量，在HMI 顯示屏上顯示；MG996R 金屬舵機(jī)控制當(dāng)前輸液的通斷；蜂鳴器提供警報(bào)功能，當(dāng)輸液狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，主控板向蜂鳴器發(fā)送指令，使蜂鳴器警報(bào)發(fā)出提醒，同時(shí)給舵機(jī)發(fā)指令使其阻斷輸液過(guò)程；主控板上的ESP8266 WiFi 模塊將實(shí)時(shí)的滴速數(shù)據(jù)、余量信息和輸液狀態(tài)的信息發(fā)送到云平臺(tái)，云平臺(tái)再通過(guò)MQTT 協(xié)議下發(fā)至手機(jī)端和PC 端。

病人家屬可以通過(guò)手機(jī)端了解病人的輸液狀態(tài)及實(shí)時(shí)定位信息，而病人本身可以通過(guò)手機(jī)APP 對(duì)自身的輸液狀態(tài)進(jìn)行查看，也可通過(guò)按鍵對(duì)輸液進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制[4]。

醫(yī)護(hù)人員通過(guò)PC 端可實(shí)時(shí)檢測(cè)到每個(gè)科室所有病床病人[5]當(dāng)前的剩余藥液容量、當(dāng)前實(shí)時(shí)滴速、預(yù)計(jì)輸液時(shí)間；同時(shí)還可以看到床位的空缺情況，方便醫(yī)護(hù)人員安排病人進(jìn)行輸液，當(dāng)某病床出現(xiàn)異常時(shí)，PC 端也能提醒醫(yī)護(hù)人員[6]。

2 系統(tǒng)硬件介紹

系統(tǒng)硬件以STM32F103ZET6為核心形成主要的控制系統(tǒng)，附加蜂鳴器模塊、舵機(jī)控制模塊、ESP8266 WiFi 模塊、HX711 壓力傳感器、Eixpsy 槽型光耦傳感器等。

2.1 STM32F103ZET6嵌入式主控板

STM32F103ZET6嵌入式主控板搭載芯片STM32，有144 引腳，容量大，芯片內(nèi)嵌資源豐富[7-8]，其I/O 口除啟動(dòng)引腳外都引出，下載、串口調(diào)試、通信三合一，便于連接智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)所需要的傳感器模塊。

2.2 Eixpsy槽型光耦傳感器

Eixpsy 槽型光耦傳感器在有遮擋時(shí)輸出高電平，此時(shí)燈滅；無(wú)遮擋輸出低電平，此時(shí)燈亮。通過(guò)Eixpsy 槽型光耦傳感器可以檢測(cè)當(dāng)前輸液液滴的滴速以及當(dāng)前輸液是否正常工作。

2.3 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊內(nèi)部帶震蕩源，只要通電即可鳴叫。當(dāng)I/O 口輸入高電平時(shí)，蜂鳴器鳴叫發(fā)出警報(bào)，也可在輸液狀態(tài)異常時(shí)發(fā)出警報(bào)。

2.4 ESP8266 WiFi模塊

NodeMCU 開(kāi)發(fā)板板載天線(xiàn)支持完整的TCP/IP協(xié)議棧。文中系統(tǒng)可以使用該模塊為現(xiàn)有的輸液設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，并使其接入阿里云，完成軟硬件數(shù)據(jù)的交互。

2.5 HMI串口液晶觸摸屏模塊

HMI 串口液晶觸摸屏可以作為L(zhǎng)CD 顯示屏，顯示患者當(dāng)前的輸液信息，以便患者和家屬了解當(dāng)前的輸液狀態(tài)。

2.6 HX711壓力傳感器

HX711 是一款高精度稱(chēng)重傳感器芯片[9]，芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件，HX711 壓力傳感器可以簡(jiǎn)單有效地測(cè)量當(dāng)前輸液瓶中的余量，并且及時(shí)上傳數(shù)據(jù)。

2.7 MG996R金屬舵機(jī)

舵機(jī)的控制需要一個(gè)20 ms 左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2 ms，通過(guò)PWM 的方式來(lái)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，比如舵機(jī)旋轉(zhuǎn)180°將輸液開(kāi)關(guān)關(guān)閉，控制輸液的狀態(tài)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)60°將輸液的滾輪往下滑從而控制輸液滴速[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，在系統(tǒng)中連接WiFi、壓力傳感器、HMI 觸摸屏、測(cè)速、舵機(jī)等模塊，軟件設(shè)計(jì)部分具體可以分為控制信號(hào)的收發(fā)、單片機(jī)的控制、與云端信息交互和輸液信息的顯示4 部分。當(dāng)WiFi、壓力傳感器等模塊初始化完畢后開(kāi)始進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。系統(tǒng)的輸液狀態(tài)檢測(cè)設(shè)置由壓力傳感器、測(cè)速模塊完成，壓力傳感器不斷地獲取輸液余量，測(cè)速模塊不斷測(cè)量輸液速度；而控制信號(hào)的收發(fā)主要是控制舵機(jī)、輸液速度以及蜂鳴器的工作狀態(tài)。輸液狀態(tài)的顯示使用串口收發(fā)完成，利用串口的外部中斷向HMI 觸摸屏發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)接收HMI 觸摸屏發(fā)送至主控系統(tǒng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。下位機(jī)通過(guò)WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)與阿里云平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)圖2 所示。

圖2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 手機(jī)APP的設(shè)計(jì)

手機(jī)APP使用Andriod studio軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[11]，并使用了MobTech 數(shù)據(jù)智能開(kāi)發(fā)平臺(tái)、阿里云平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等技術(shù)手段。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)信息等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。利用安卓開(kāi)發(fā)的四大組件[12]編寫(xiě)出具有網(wǎng)絡(luò)連接等功能的Anxin 手機(jī)端。功能模塊分為用戶(hù)管理、任務(wù)管理和注意事項(xiàng)三大模塊，具體為實(shí)現(xiàn)用戶(hù)注冊(cè)登錄、通過(guò)按鍵控制輸液、實(shí)時(shí)顯示輸液的各項(xiàng)信息、對(duì)輸液速度不當(dāng)作出預(yù)警提示等功能。Anxin 手機(jī)端功能模塊設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 Anxin手機(jī)端功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.2 PC端軟件設(shè)計(jì)

PC 端軟件設(shè)計(jì)主要包括主控制系統(tǒng)、警報(bào)模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)入系統(tǒng)后，界面顯示當(dāng)前時(shí)間各個(gè)病人的輸液狀態(tài)等信息。下位機(jī)對(duì)病人各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過(guò)MQTT 協(xié)議向云端上傳數(shù)據(jù)，PC 端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)后呈現(xiàn)給醫(yī)護(hù)人員，當(dāng)病人各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，PC 端就會(huì)收到消息，發(fā)出警鳴提醒醫(yī)護(hù)人員采取措施。PC 端軟件設(shè)計(jì)圖如圖4 所示。

圖4 PC端軟件設(shè)計(jì)圖

3.2.3 Web可視化界面設(shè)計(jì)

文中采用阿里云的IOT Studio 來(lái)進(jìn)行界面功能設(shè)計(jì)[13]，IOT Studio 是阿里云針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景提供的生產(chǎn)力工具，用戶(hù)無(wú)需編寫(xiě)代碼，只需要將組件從編輯器里拖動(dòng)到指定位置，再對(duì)組件樣式、數(shù)據(jù)源和交互方式進(jìn)行配置，以快速完成設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控相關(guān)的Web 應(yīng)用。開(kāi)發(fā)完成的Web 應(yīng)用可以直接在阿里云服務(wù)器上托管運(yùn)行。

3.2.4 MQTT協(xié)議

MQTT 協(xié)議用于完成數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)傳感器檢測(cè)到數(shù)據(jù)后，下位機(jī)通過(guò)MQTT 協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。MQTT 是基于TCP/IP 連接并基于發(fā)布/訂閱模式下的通信協(xié)議[14]。此外，MQTT 基于異步發(fā)布/訂閱的實(shí)現(xiàn)解耦消息發(fā)布者和訂閱者，基于二進(jìn)制的實(shí)現(xiàn)節(jié)省了存儲(chǔ)空間及流量。同時(shí)，MQTT 擁有更好的消息處理機(jī)制，相對(duì)于HTTP 和XMPP，MQTT 可以選擇用戶(hù)數(shù)據(jù)格式，解析復(fù)雜度低，同時(shí)MQTT 也可用于手機(jī)推送等領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)測(cè)試

該測(cè)試主要針對(duì)系統(tǒng)中的主要模塊進(jìn)行檢測(cè)，以保證系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行。測(cè)試設(shè)備為裝有Keil5的PC 機(jī)、安卓手機(jī)、串口調(diào)試助手、阿里云云端數(shù)據(jù)庫(kù)、220 V/5 V 電源。

4.1 主要硬件模塊測(cè)試

4.1.1 輸液狀態(tài)檢測(cè)

1）輸液余量檢測(cè)：在初始化完成后獲取稱(chēng)重模塊經(jīng)HX711 轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，并將數(shù)值上傳至串口調(diào)試助手以備調(diào)試使用；得到的數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)人為標(biāo)定和轉(zhuǎn)換后得到以毫克為單位的數(shù)據(jù)，即為最終使用數(shù)據(jù)。

2）輸液速度檢測(cè)：在初始化完成后可實(shí)時(shí)獲取測(cè)量到的電信號(hào)，有遮擋為1，無(wú)遮擋為0，并由此配合定時(shí)器的時(shí)鐘信號(hào)，檢測(cè)兩滴液滴的時(shí)間差，進(jìn)而推算輸液速度。測(cè)量的數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)均上傳至串口調(diào)試助手進(jìn)行記錄和調(diào)試。

4.1.2 控制信號(hào)檢測(cè)

1）按鈕控制信號(hào)檢測(cè)：按鈕輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，即0 和1，根據(jù)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)按鈕輸入的信號(hào)并執(zhí)行相應(yīng)操作，按下一次執(zhí)行一次，用LED 燈的亮滅反映按鈕控制的結(jié)果，并進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試沒(méi)問(wèn)題后改為按鈕控制舵機(jī)和蜂鳴器，說(shuō)明已達(dá)到最終控制效果。

2）HMI 觸摸屏控制信號(hào)檢測(cè)：HMI 觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口，因此直接將數(shù)據(jù)再上傳至串口調(diào)試助手，得到每一次HMI 觸摸屏傳回主控板的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后得到相應(yīng)控制指令，并用LED 燈的亮滅反映控制的結(jié)果，由此進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試無(wú)誤后改為HMI 控制舵機(jī)和蜂鳴器，說(shuō)明已達(dá)到最終控制效果。

4.1.3 ESP8266 WiFi模塊同云端通信檢測(cè)

ESP8266 WiFi 模塊同云端相連后，進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試，將交互的數(shù)據(jù)均上傳至串口調(diào)試助手，分析數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的正確性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[15]，并同時(shí)和各模塊檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷云端數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)是否有誤差，更改定時(shí)器分頻率后多次試驗(yàn)，由此達(dá)到最終實(shí)際應(yīng)用效果。

4.1.4 舵機(jī)控制測(cè)試

通過(guò)設(shè)計(jì)定時(shí)器PWM 模式，并通過(guò)按鈕實(shí)際控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，保證舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力度和角度的準(zhǔn)確性，進(jìn)而達(dá)到用舵機(jī)控制輸液器調(diào)速裝置，實(shí)現(xiàn)輸液速度的控制。

4.2 手機(jī)端APP主要功能測(cè)試

4.2.1 手機(jī)端用戶(hù)管理功能測(cè)試

對(duì)手機(jī)APP 進(jìn)行用戶(hù)注冊(cè)、登錄、修改資料、用戶(hù)修改頭像、退出當(dāng)前登錄用戶(hù)等功能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)用戶(hù)管理的容錯(cuò)性進(jìn)行測(cè)試[16]，比如注冊(cè)時(shí)兩次輸入設(shè)定的密碼不同、輸入的注冊(cè)手機(jī)號(hào)格式不正確等狀況，APP 應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)提示。還要對(duì)鏈接的MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，在注冊(cè)成功、修改資料等情況時(shí)，查看數(shù)據(jù)庫(kù)是否發(fā)生相應(yīng)變化[17]。

4.2.2 手機(jī)端定位功能測(cè)試

對(duì)病人手機(jī)APP 的定位功能進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)開(kāi)啟病人手機(jī)定位服務(wù)時(shí)，查看家屬手機(jī)APP 端以及護(hù)士站PC 端可以獲取到該病人的實(shí)時(shí)定位。

4.2.3 手機(jī)端數(shù)據(jù)上云，云數(shù)據(jù)下發(fā)至下位機(jī)測(cè)試

在病人手機(jī)APP中設(shè)置病人的年齡以及疾病，觀(guān)察云平臺(tái)中是否成功獲取到正確的數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，下發(fā)最適合的輸液滴速范圍給下位機(jī)主控板，主控板再根據(jù)當(dāng)前滴速是否處于合適的輸液滴速范圍來(lái)決定是否對(duì)輸液速度進(jìn)行調(diào)整，若處于范圍內(nèi)則不作調(diào)整，否則調(diào)整至合適范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中主要完成了系統(tǒng)的硬件模塊搭建、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。最終Anxin 實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員、病人及其家屬對(duì)輸液的智能化監(jiān)控，提升了醫(yī)護(hù)人員的看護(hù)效率以及輸液治療過(guò)程的安全性，讓病人、家屬、醫(yī)生人員更加安心、放心。通過(guò)多次測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善和升級(jí)，可將原系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展為更豐富的監(jiān)控系統(tǒng)。