劉豪，張玉林，李先，余弦

（宜賓學(xué)院 智能制造學(xué)部，四川宜賓，644000）

0 引言

隨著醫(yī)療設(shè)備更新，一些醫(yī)院已實(shí)現(xiàn)了智能化輸液，但是由于其使用成本高昂，所以有大部分醫(yī)院還是依靠老式的輸液方法，需要護(hù)士時(shí)刻盯著病人進(jìn)行輸液。本文設(shè)計(jì)的基于STM32 的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)在一定程度上可減輕醫(yī)護(hù)人員的工作壓力，也避免了因?yàn)槭韬龆鴮?dǎo)致的醫(yī)療事故，可極大地減輕病人、家屬、醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)測(cè)工作量。此智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)成本低，有利于生產(chǎn)和推廣使用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖[1]如圖1 所示。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)主控電路為核心，其余分為五個(gè)主要模塊：容量檢測(cè)模塊、滴速監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、無(wú)線傳輸模塊、報(bào)警模塊。

圖1 系統(tǒng)整體框架

該智能輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)容量檢測(cè)模塊對(duì)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按鍵設(shè)置輸液滴速，同時(shí)采用滴速監(jiān)測(cè)模塊對(duì)輸液滴速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)實(shí)際滴速與設(shè)置滴速不符時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算發(fā)出指令由舵機(jī)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制輸液閥，使藥液滴速與設(shè)置藥液滴速相符。主控電路通過(guò)對(duì)傳感器采集的輸液信息進(jìn)行處理，將輸液狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)據(jù)顯示模塊上，同時(shí)此系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)端APP 進(jìn)行顯示。如液面低于閾值或病人按下報(bào)警按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

該智能輸液監(jiān)測(cè)裝置的硬件系統(tǒng)是采用STM32F103C8T6作為主控芯片，由DR-01 液體非接觸液位傳感器、光電槽型光耦傳感器、TFT 彩屏、按鍵、蜂鳴器、ESP8266 無(wú)線WiFi模塊等外圍硬件電路組成。整體硬件系統(tǒng)采用的是USB 接口進(jìn)行供電。

■2.1 主控芯片的選用

此項(xiàng)目選用的主控核心芯片是STM32F103C8T6，STM32 系列處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種基于ARM 7 架構(gòu)的32 位、支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的微控制器。該款控制芯片因其在醫(yī)療器械等領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛，更加具有學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究的價(jià)值。

■2.2 藥液容量檢測(cè)模塊

藥液容量檢測(cè)模塊采用DR-01 非接觸液位傳感器，是一款超高性能的非接觸液位傳感器。其超低功耗、環(huán)保物料、穩(wěn)定可靠、不與液體接觸、體積小、成本低、安裝無(wú)需開(kāi)孔，安裝方便，檢測(cè)液體種類(lèi)多樣。DR-01 液位傳感器檢測(cè)液位狀態(tài)信息傳輸于主控芯片進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液容量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 模塊結(jié)構(gòu)圖

■2.3 滴速監(jiān)測(cè)與控制模塊

該裝置中滴液速度監(jiān)測(cè)模塊采用光電槽型光耦模塊，該模塊是基于紅外對(duì)管模塊的紅外傳感器。該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管通過(guò)發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，接收管將接收到來(lái)自被反射的紅外光線，從而產(chǎn)生信號(hào)經(jīng)比較器電路處理之后，指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)。該模塊廣泛用于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、脈沖計(jì)數(shù)、位置限位等。在該項(xiàng)目中用于液體滴速的監(jiān)測(cè)，并且實(shí)時(shí)將滴液信息傳輸于主控芯片進(jìn)行處理。原理如圖3 所示。

圖3 滴速監(jiān)測(cè)模塊原理

流速控制是采用SG90 舵機(jī)模塊，舵機(jī)[2]是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)崿F(xiàn)角度不斷變化和保持。該裝置中選擇SG90 舵機(jī)用于控制輸液閥門(mén)，從而控制流量大小，通過(guò)PWM 脈沖寬度可精確地控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度和扭力大小，可做到不破壞輸液閥門(mén)也能通過(guò)該裝置進(jìn)行控制。控制原理如圖4、圖5 所示。

圖4 PWM 脈沖寬度調(diào)制

圖5 舵機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度關(guān)系

■2.4 無(wú)線傳輸模塊

該項(xiàng)目中無(wú)線傳輸模塊采用ESP8266WiFi 模塊，該模塊集成了業(yè)界領(lǐng)先的TensilicaL106 超低功耗32 位微型MCU，帶有16 位精簡(jiǎn)模式，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n 協(xié)議和完整的TCP/IP 協(xié)議棧。該裝置通過(guò)STM32 單片機(jī)與ESP8266 進(jìn)行串口通信發(fā)送AT 指令等信息，使ESP8266 作為T(mén)CP 服務(wù)端發(fā)送此輸液系統(tǒng)的輸液信息給TCP 客戶端，從而實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)設(shè)備手機(jī)端APP 上實(shí)時(shí)接收顯示輸液系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息[3]。ESP8266 運(yùn)用電路如圖6 所示。

圖6 WiFi 運(yùn)用電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用Keil uCision5 開(kāi)發(fā)環(huán)境在C 語(yǔ)言編程環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，F(xiàn)lyMcu 進(jìn)行STM32 程序代碼最終的燒錄。根據(jù)該項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，主要可分為以下幾大板塊，運(yùn)用STM32 內(nèi)部定時(shí)器對(duì)輸液狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)輸液滴速與設(shè)定的目標(biāo)滴速不符時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)輸液閥進(jìn)行松緊控制，直到輸液滴速與設(shè)定的目標(biāo)滴速相符，系統(tǒng)控制輸液閥松緊的檔位將停止不變；系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸液的容量狀態(tài)，容量狀態(tài)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警操作[4]；系統(tǒng)屏幕上可以顯示輸液滴速與剩余輸液容量等信息；護(hù)士手機(jī)端APP 可實(shí)時(shí)接收來(lái)自下位機(jī)系統(tǒng)的輸液信息；病人可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行按鍵報(bào)警操作；系統(tǒng)總體軟件的設(shè)計(jì)流程如圖7 所示。

圖7 軟件流程圖

主程序中編寫(xiě)液體流速控制及數(shù)據(jù)信息獲取的關(guān)鍵邏輯代碼程序，如下所示。

4 系統(tǒng)與功能測(cè)試

首先檢測(cè)各個(gè)模塊線路是否接好，檢查發(fā)現(xiàn)無(wú)誤之后，使用杜邦線將各個(gè)模塊連接起來(lái)，對(duì)系統(tǒng)整體硬件進(jìn)行調(diào)試檢查，同時(shí)用萬(wàn)用表、示波器等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量各個(gè)模塊的工作參數(shù)是否正常。萬(wàn)用表分別測(cè)試單片機(jī)的供電電壓是否為3.3V 工作電壓，舵機(jī)的工作電壓是否在5V～6V 工作電壓內(nèi)，非接觸液位傳感器的工作電壓是否在3V～5V 工作電壓內(nèi)，滴液流速監(jiān)測(cè)模塊的工作電壓是否在3.3V～5V工作范圍內(nèi)，并且用示波器測(cè)試舵機(jī)信號(hào)輸入線的PWM 波形是否輸入正常，所有模塊測(cè)試正常工作后，進(jìn)行整體系統(tǒng)電路測(cè)試。系統(tǒng)電路原理如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)電路原理圖

使用FlyMcu 對(duì)STM32 進(jìn)行串口程序燒寫(xiě)，程序燒寫(xiě)成功后，系統(tǒng)上電初始化，初始化成功后，舵機(jī)模塊經(jīng)PWM 調(diào)制波驅(qū)動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)到初始轉(zhuǎn)向角；光電槽型光耦模塊對(duì)反射回的紅外光線進(jìn)行處理后，再輸出數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)；DR-01 非接觸液位傳感器將監(jiān)測(cè)到的液位信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出傳給單片機(jī)；TFT 彩屏顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。

通過(guò)按鍵進(jìn)行容量和滴速的設(shè)置，設(shè)置完成后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，根據(jù)各模塊在屏幕上顯示的參數(shù)和實(shí)際的工作狀態(tài)，在Keil uCision5 開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試燒寫(xiě)程序代碼，直到系統(tǒng)正常工作后，進(jìn)行功能測(cè)試，記錄系統(tǒng)在不同條件下功能測(cè)試的結(jié)果。

功能測(cè)試結(jié)果如下：輸液系統(tǒng)正常進(jìn)行工作且滴速正常時(shí)，舵機(jī)控制的檔位不變，如圖9 所示。滴速高于設(shè)置滴速時(shí)，舵機(jī)控制的檔位增加，如圖10 所示。滴速低于設(shè)置滴速時(shí)，舵機(jī)控制的檔位減小，如圖11 所示。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)檢查到液位時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)警，并且在TFT 彩屏上顯示液位偏低，如圖12 所示。

圖9 滴速正常

圖10 滴速過(guò)快

圖11 滴速過(guò)慢

圖12 液位偏低

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于STM32設(shè)計(jì)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)滴液監(jiān)測(cè)傳感器、舵機(jī)、TFT 彩屏等模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示病人的輸液狀態(tài)，并可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)輸液狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。多次的測(cè)試結(jié)果表明，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝置可以使病人有更好的醫(yī)療體驗(yàn)，并且能有效減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，因此本產(chǎn)品有望得到廣泛的推廣應(yīng)用。