摘 要：為了訓(xùn)練學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握基于CDIO理念的工程設(shè)計(jì)方法，對電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目進(jìn)行了改革和探索，引入了病房無人看護(hù)系統(tǒng)的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括下位機(jī)智能輸液儀、上位機(jī)軟件、LED點(diǎn)陣顯示模塊的設(shè)計(jì)。下位機(jī)智能輸液儀能在輸液時(shí)實(shí)現(xiàn)輸液自動(dòng)控速、輸液自動(dòng)換瓶、病房溫度檢測、病房呼叫功能。上位機(jī)軟件能實(shí)時(shí)檢測各個(gè)病房的下位機(jī)信息，主要包括病房溫度、點(diǎn)滴速度、輸液瓶號(hào)、輸液進(jìn)度、病人呼叫、病人突發(fā)情況警報(bào)，并且能發(fā)出控制信號(hào)控制下位機(jī)智能輸液儀的參數(shù)設(shè)定。LED點(diǎn)陣能實(shí)時(shí)顯示各個(gè)病房的輸液情況，更方便觀察各病房的輸液進(jìn)度。本項(xiàng)目涉及本科階段電子信息類專業(yè)的傳感器技術(shù)、軟件編程技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等方面的課程知識(shí)，具有很強(qiáng)的綜合性，有利于提高學(xué)生設(shè)計(jì)復(fù)雜電子系統(tǒng)的能力及實(shí)踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：智能輸液；無人看護(hù)系統(tǒng)；自動(dòng)控速；自動(dòng)換瓶；無線通信；CDIO

中圖分類號(hào)：TP39；TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.026

0 引 言

CDIO項(xiàng)目式教學(xué)包括構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）和運(yùn)作（Operate），是近年來國際工程教育改革的最新成果，也是我國發(fā)展“新工科”工程認(rèn)證過程中所提倡的教學(xué)模式[1-2]。CDIO創(chuàng)新與工程實(shí)踐教學(xué)模式能夠?qū)⒄n程與學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，通過基于問題、基于項(xiàng)目、基于案例的融合多學(xué)科和行業(yè)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，將通識(shí)教育與專業(yè)教育融合，將行業(yè)新技術(shù)、原理和方法融入專業(yè)課程教育體系，促進(jìn)課程和實(shí)踐體系的更新，培養(yǎng)學(xué)生具備新工科專業(yè)建設(shè)能力，具備運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、原理和方法解決工程問題并預(yù)見挑戰(zhàn)的能力，從而支持我校培養(yǎng)出符合新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)形態(tài)需要的工程能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。引入病房無人看護(hù)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以很好地踐行CDIO的教學(xué)理念，訓(xùn)練學(xué)生的工程實(shí)踐和工程設(shè)計(jì)

能力[3]。

1 病房無人看護(hù)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)和

系統(tǒng)功能

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù)如下：

（1）點(diǎn)滴流速的檢測和控制：初步設(shè)定相關(guān)的參數(shù)后系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控，若出現(xiàn)異常情況則及時(shí)預(yù)警，以達(dá)到點(diǎn)滴輸液時(shí)不用人看護(hù)的目的。

（2）輸液自動(dòng)換瓶：若當(dāng)前輸液瓶輸液完成則自動(dòng)更換下一瓶繼續(xù)輸液。

（3）病房呼叫：病人及家屬可在需要時(shí)直接按下設(shè)置好的呼叫開關(guān)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送消息至PC終端，通知護(hù)士。

（4）突發(fā)情況報(bào)警：對病房出現(xiàn)的一些突發(fā)情況進(jìn)行報(bào)警，通知PC終端。

（5）設(shè)計(jì)相配套的管理軟件，使醫(yī)務(wù)人員能及時(shí)掌握病人及病房的相關(guān)信息并儲(chǔ)存，并且能調(diào)控各病房的環(huán)境。

系統(tǒng)功能如下：

（1）實(shí)現(xiàn)輸液的自動(dòng)換瓶；

（2）實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴自動(dòng)調(diào)速[2]；

（3）存取有關(guān)數(shù)據(jù)與控制的參數(shù)；

（4）通過軟件對病房輸液情況進(jìn)行監(jiān)控和控制。

2 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的方式來實(shí)施，三人一個(gè)小組，每個(gè)小組根據(jù)學(xué)生的特長分配實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；學(xué)生根據(jù)分配的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)模塊電路的設(shè)計(jì)，然后再實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，整個(gè)操作流程符合企業(yè)的項(xiàng)目運(yùn)作流程；項(xiàng)目完成以后，每個(gè)小組要進(jìn)行項(xiàng)目答辯和實(shí)物驗(yàn)收。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由下位機(jī)智能輸液儀和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件及LED點(diǎn)陣顯示屏3部分組成。各部分通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。智能輸液儀包含滴速檢測模塊、滴速控制模塊、換瓶信號(hào)檢測模塊、自動(dòng)換瓶模塊、溫度檢測模塊、呼叫模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD12864顯示模塊和主控制器。下位機(jī)將各個(gè)傳感器模塊采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數(shù)、輸液剩余時(shí)間及儀器狀態(tài)信息，通過無線通信傳送至上位機(jī)監(jiān)控軟件和LED點(diǎn)陣顯示屏，方便醫(yī)院護(hù)士對各個(gè)病房床位的輸液情況進(jìn)行監(jiān)測；另外護(hù)士也可以通過上位機(jī)修改和控制病人的輸液速度、執(zhí)行換瓶動(dòng)作，極大地減輕了護(hù)士的工作量，同時(shí)也保證了輸液換瓶的實(shí)時(shí)性和輸液速度的穩(wěn)定性。

利用護(hù)士站的微型計(jì)算機(jī)分別控制每個(gè)病房的溫度和每個(gè)病床的輸液情況。該系統(tǒng)的具體運(yùn)行流程為：第一步，工作人員設(shè)置好智能輸液器的參數(shù)；第二步，由下位機(jī)（點(diǎn)滴檢測與控制子系統(tǒng)、溫度檢測子系統(tǒng)）采集各種信息并將采集到的信息傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后，通過串口通信把相應(yīng)模塊的信息傳送給上位機(jī)（計(jì)算機(jī)控制端）；第三步，醫(yī)生或護(hù)士等管理者通過計(jì)算機(jī)的管理軟件查看由各病房的下位機(jī)傳送來的信息，并且發(fā)送控制信息給下位機(jī)，由下位機(jī)去執(zhí)行，完成管理者的任務(wù)[3]。

3 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 RS 232/485轉(zhuǎn)換電路

RS 232/485轉(zhuǎn)換器主要包括電源、RS 232電平轉(zhuǎn)換電路、RS 485電路3部分[4]。本電路的RS 232電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX232集成電路，RS 485電路采用了MAX485集成電路。為了使用方便，電源部分設(shè)計(jì)成無源方式，整個(gè)電路的供電直接從PC機(jī)的RS 232接口中的DTR（4腳）和RTS（7腳）

獲得。PC串口的每根線可以提供大約9 mA的電流，因此兩根線提供的電流就足夠供給這個(gè)電路使用了。MAX485通過RE（2腳）和DE（3腳）兩個(gè)引腳來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當(dāng)RE為低電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng)DE為高電平時(shí)，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在本系統(tǒng)中將這兩個(gè)引腳直接相連，然后通過PC輸出的高低電平就可以實(shí)現(xiàn)MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。具體電路如

圖2所示。

3.2 滴速檢測模塊

將紅外發(fā)射管與紅外接收管安放在輸液管液滴可見區(qū)的兩側(cè)，當(dāng)有液滴通過時(shí)紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號(hào)受到液滴的折射作用，導(dǎo)致射入紅外接收管的紅外信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)酢＠眠@種差別，將信號(hào)進(jìn)行濾波放大后得到單片機(jī)能直接識(shí)別的電平信號(hào)[5]。具體電路如圖3所示。

3.3 滴速控制模塊

輸液速度控制要求快速準(zhǔn)確，為了達(dá)到這樣的效果，在硬件設(shè)計(jì)上采用壓迫式方法對輸液管進(jìn)行不同強(qiáng)度的壓迫，從而準(zhǔn)確地控制液滴的速度。滴速控制模塊采用大扭力電機(jī)作為動(dòng)力源，并通過絲桿傳動(dòng)將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平滑動(dòng)，從而壓迫輸液管控制滴速。具體電路如圖4所示。

3.4 換瓶信號(hào)檢測模塊

為了進(jìn)行換瓶控制，需要得到輸液瓶的液位信號(hào)，這樣才能準(zhǔn)確地把握換瓶時(shí)機(jī)。對于換瓶信號(hào)的檢測，由于有了液滴檢測作為前提，因而考慮同樣采用紅外檢測的方式。將紅外發(fā)射管和接收管置于輸液瓶正下方，當(dāng)輸液瓶內(nèi)有液體時(shí)紅外接收管收到較弱的紅外信號(hào)，當(dāng)輸液瓶內(nèi)無液體時(shí)紅外接收管接收到較強(qiáng)的紅外信號(hào)，將這種差別通過放大電路放大后得到準(zhǔn)確的結(jié)束信號(hào)。將紅外發(fā)射管與紅外接收管安放在輸液瓶口正下方，當(dāng)瓶內(nèi)藥物低于紅外發(fā)射管時(shí)，射入紅外接收管的紅外信號(hào)強(qiáng)度變強(qiáng)。利用這種差別，將信號(hào)進(jìn)行濾波放大后得到單片機(jī)能直接識(shí)別的電平信號(hào)[6]。

3.5 自動(dòng)換瓶模塊

對需要更換的輸液瓶進(jìn)行自動(dòng)換瓶，實(shí)現(xiàn)無人操作，保證輸液換瓶的穩(wěn)定性和可靠性。輸液換瓶是本項(xiàng)目的核心內(nèi)容，本文提出采用倒置輸液瓶換瓶法。在正常輸液時(shí)待用的輸液瓶是瓶口朝上的，當(dāng)上一瓶輸液完畢時(shí)，通過舵機(jī)準(zhǔn)確地控制待用輸液瓶向下旋轉(zhuǎn)180°，這時(shí)藥物就能順利向下流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)換瓶。舵機(jī)控制器通過生成周期為20 ms的脈沖信號(hào)（其中高電平時(shí)間在500 μs～2 ms范圍內(nèi)）來精確控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而控制輸液瓶的倒置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換瓶。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.6 溫度檢測和聲音提示模塊

溫度檢測模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集病房溫度，并傳送至上位機(jī)。聲音提示模塊在輸液完成時(shí)會(huì)通過下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的聲音，提示家屬或病人。溫度檢測采用的是集成溫度芯片DS18B20，DS18B20是一種單總線的溫度芯片，測溫范圍為-55～125 ℃，完全能夠滿足病房溫度采集的需求，并且穩(wěn)定性高。聲音提示采用蜂鳴器，蜂鳴器提示音大小適中，電路簡單。

3.7 輸液控制器顯示模塊

該模塊負(fù)責(zé)對輸液信息進(jìn)行設(shè)定和顯示，提供人機(jī)交互接口。由于設(shè)定參數(shù)所用的按鍵相對較多，本文采用4×4矩陣鍵盤。LCD顯示屏在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用得較多，性價(jià)比較高，因此本文采用LCD12864液晶屏作為輸液控制模塊的顯示設(shè)備。

3.8 LED點(diǎn)陣顯示屏

采用LED點(diǎn)陣顯示屏顯示輸液病人所在病房和病床以及輸液完成等提示信息。點(diǎn)陣屏隨著輸液病人數(shù)量的變化顯示不同的信息，能夠及時(shí)顯示即將結(jié)束輸液的病人信息，并及時(shí)提醒管理人員。本設(shè)計(jì)使用了數(shù)組存儲(chǔ)法，利用輸液床位的標(biāo)號(hào)設(shè)置數(shù)組的值，并且數(shù)組元素的值和下標(biāo)相等，再在數(shù)組中查找和計(jì)算非零元素的總個(gè)數(shù)，點(diǎn)陣屏隨非零元素的個(gè)數(shù)和非零元素的下標(biāo)變化顯示正在輸液的病人所在房間和床位。因此該顯示屏能動(dòng)態(tài)地顯示正在輸液的病人的床位信息。具體原理如圖6所示。

4 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控床位，顯示輸液過程中的信息，必要時(shí)可以設(shè)置輸液控制器參數(shù)，顯示病人病情以及各種需求，提供報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，進(jìn)而監(jiān)控所有床位。PC串口通信上位機(jī)能夠?qū)纹瑱C(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，其關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性和完整性。由于此系統(tǒng)為多機(jī)通信系統(tǒng)，因此必須事先設(shè)置好通信協(xié)議。為防止數(shù)據(jù)接收中斷而導(dǎo)致程序卡死或數(shù)據(jù)接收不連續(xù)等問題，本通信協(xié)議規(guī)定每幀數(shù)據(jù)發(fā)送13個(gè)字節(jié)，并且各字節(jié)代表不同的含義，第1字節(jié)為地址信號(hào)，末尾字節(jié)為停止信號(hào)，倒數(shù)第2、3字節(jié)為校驗(yàn)碼。當(dāng)PC軟件收到來自多個(gè)從機(jī)發(fā)出的信號(hào)時(shí)，PC軟件必須挑選一個(gè)從機(jī)的信息進(jìn)行顯示，因此可以在接收到數(shù)據(jù)時(shí)把各數(shù)據(jù)用文件存儲(chǔ)起來，當(dāng)選擇到某個(gè)房間的某床位時(shí)再具體顯示該床位信息，以此解決顯示混亂問題。

為了方便用戶使用軟件并為醫(yī)生提供參考，軟件中設(shè)計(jì)了床位信息編輯頁，方便醫(yī)生解決病人的就醫(yī)問題。用戶的床位監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接收端口信息、參數(shù)的設(shè)置最終會(huì)被發(fā)送給主程序，主程序再將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件中，當(dāng)要使用這些數(shù)據(jù)時(shí)再從文件中調(diào)用這些數(shù)據(jù)，并顯示在軟件界面數(shù)碼管上。另外主程序也可以將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給輸液控制器[7]。

原理說明：當(dāng)上位機(jī)軟件啟動(dòng)時(shí)，若是第一次啟動(dòng)，則會(huì)創(chuàng)建文件，初始化參數(shù)；若不是，則程序等待定時(shí)器函數(shù)的響應(yīng)。在定時(shí)器函數(shù)里面，主程序會(huì)設(shè)置多種發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，每一種狀態(tài)對應(yīng)不同的功能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。接收的數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的信息都會(huì)被以文件的方式存儲(chǔ)起來，以便后續(xù)能夠根據(jù)用戶的設(shè)置來動(dòng)態(tài)地展示數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)混亂。數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)采用重載函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送過程中實(shí)現(xiàn)不同功能。

控制說明：打開軟件時(shí)首先選擇串口號(hào)，然后按下“打開串口”按鈕，這時(shí)按鈕會(huì)變成“關(guān)閉串口”；選擇相應(yīng)的房間和床位，數(shù)碼管會(huì)顯示床位的信息，若需設(shè)置輸液參數(shù)，可按下“重設(shè)滴速”或“重設(shè)容量”按鈕，也可以選擇報(bào)警音樂實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

4.2 下位機(jī)總體程序流程

下位機(jī)總體流程如圖8所示，通過該程序完成了病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數(shù)、輸液剩余時(shí)間及儀器狀態(tài)信息的采集，并實(shí)現(xiàn)了輸液的滴速控制和換瓶控制。

5 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)效果展示

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，學(xué)生小組經(jīng)過共同努力，完成了病房無人看護(hù)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的電子系統(tǒng)，給出了模型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖。關(guān)鍵部分效果圖如圖9和圖10所示。

6 結(jié) 語

在對電子技術(shù)綜合課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目進(jìn)行改革和探索的過程中，引入了病房無人看護(hù)系統(tǒng)的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并在我校電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)和通信工程3個(gè)專業(yè)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，得到了較好的效果，學(xué)生熟練掌握了基于CDIO[8-10]工程實(shí)踐的流程，并加強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐獲得以下體會(huì)：學(xué)生在總體方案上基本保持一致，但是在模塊電路的制作上可以充分發(fā)揮能動(dòng)性，制作出不一樣的電路；小組的匯報(bào)答辯非常重要，可以很好地鍛煉學(xué)生對項(xiàng)目開發(fā)的總結(jié)能力，也可以學(xué)習(xí)不同小組在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案方面的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高交流能力；實(shí)物的制作可以很好地鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和機(jī)械模具的設(shè)計(jì)能力，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面。

注：本文通訊作者為梁曉琳。

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收稿日期：2023-10-07 修回日期：2023-11-06

基金項(xiàng)目：2024年度湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（4762）

作者簡介：李 浩（2005—），男，湖南祁東人，研究方向?yàn)殡娮优c信息工程。

包本剛（1976—），男，湖南永州人，碩士，教授，研究方向?yàn)楦呓坦芾?、集成電子電路設(shè)計(jì)和測試。