基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能輸液室監(jiān)控系統(tǒng)的研究

許曉榮田，田張文超

（南（京杭航州空電航子天科大技學大 學生，物電醫(yī)子學信工息程學系院，，江浙蘇江省 杭南州京 市31 02011080）16）

引言

目前很多輸液病房仍采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)護方法，輸液速度由護士或陪護人員對點滴流速進行目測計數(shù)，并通過手工轉(zhuǎn)動流量調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)，在輸液過程中，陪護人員必須時刻觀察儲液狀態(tài)（剩余藥液狀態(tài)）和輸液情況（流量快慢和是否有斷流等）。當藥液輸完，及時通知值班護士換瓶或拔針[1]。顯然，肉眼觀察輸液速度，通常不準確也不方便，而且護士及陪護人員得時刻觀察輸液的狀態(tài)。

開發(fā)一種智能的病房監(jiān)控系統(tǒng)，讓傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式走向自動化，智能化，讓護理人員監(jiān)控病人輸液的時間得到充分利用，提高工作效率，提供安全的輸液服務，是醫(yī)院和患者的一大需求。

物聯(lián)網(wǎng)技術是實現(xiàn)智能化的一個保障，整個樓宇、每層、每個病房的每個病人輸液數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、存儲、處理、顯示及提醒等功能，方便醫(yī)生和護士的操作和管理[2]。根據(jù)病人的不同需求來實時調(diào)整輸液監(jiān)控設備，構建完整的輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體概述

智能輸液病房的整體實現(xiàn)框架是通過測試病房內(nèi)的溫濕度，煙霧火花和點滴速度及藥液剩余量等數(shù)據(jù)，通過Zigbee發(fā)送模塊發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點，Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)整合后發(fā)給監(jiān)控室的Zigbee接收模塊，然后接收模塊將收到的數(shù)據(jù)通過USB傳給服務器，服務器根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進行處理，并存入數(shù)據(jù)庫。手持終端或客戶端通過Internet連接遠程登錄，對病房內(nèi)的情況進行實時監(jiān)控，從而可以全方位實現(xiàn)對病房的情況進行遠程實時監(jiān)控。智能輸液室監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件主要設計了基于Zigbee的溫濕度模塊，煙霧及火花報警模塊和點滴測速模塊。

圖1智能輸液室監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構圖

2.1 Zigbee模塊

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗、可自組網(wǎng)的無線通信技術。由于其網(wǎng)絡可以便捷地為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領域具有非常強的可應用性[3]。

本系統(tǒng)的Zigbee模塊基于TI公司的CC2530芯片，CC2530有一個無線定位跟蹤引擎，具有良好的定位性能，可以用來防止設備的丟失，運行Zigbee2006協(xié)議[4]。與嵌入式控制終端連接的Zigbee模塊作為協(xié)調(diào)器（Coordinator），與其他各個子模塊連接作為路由器（Router），組成無線傳感網(wǎng)。Zigbee無線傳感網(wǎng)絡實物圖如圖2所示。

圖2Zigbee無線傳感網(wǎng)絡實物圖

2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度是環(huán)境參數(shù)中比較重要的數(shù)據(jù)，一方面在一定程度上反映了環(huán)境的狀況，另一方面可作為可燃氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯难a充驗證。本文選擇電容式集成數(shù)字溫濕度傳感器AM2301，它有著集成溫濕度傳感器的典型特征[5]。AM2301內(nèi)部的傳感器和集成電路融為一體，極大地提高了傳感器的性能，并且采用了專用的數(shù)字模塊技術，與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器相比，具有測量精度高、復現(xiàn)性好、線性優(yōu)良、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大等優(yōu)點。AM2301應用電路如圖3所示。

圖3AM2301應用電路

2.3 火光檢測模塊

火光傳感器模塊的信號采集由紅外接收頭完成，可探測到火源或者熱源（波長在700nm～100nm之內(nèi)）[6]，將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流變化，串聯(lián)負載電阻后可在兩端形成一定電壓。經(jīng)過比較器LM393的處理，可以產(chǎn)生數(shù)字信號，接到單片機的外部中斷引腳。LM393火光檢測電路如圖4所示，D9為電源指示燈，D8為紅外接收頭，D7為觸發(fā)指示器。傳感器隨著外部敏感信號的強弱變化阻抗會跟隨變化，所以LM393管腳2處的電壓也同樣跟著變化，然后跟中間電壓3作比較后產(chǎn)生數(shù)字信號從管腳1輸出，P6是模塊的接口。

圖4LM393火光檢測電路

2.4 煙霧檢測模塊

選用Motorola公司的MC145012作為系統(tǒng)的煙霧探測模塊。MC145012是一款帶I/O和瞬時圖形揚聲器驅(qū)動的光電煙霧探測IC，它包含復雜的低功率模擬電路和數(shù)字電路[7]。此IC用一個紅外光電盒。用感測來自微小煙霧粒子或其他煙霧的散射光實現(xiàn)探測。當探測到煙霧時，脈動報警經(jīng)片上推挽驅(qū)動器和外部壓電蜂鳴器發(fā)聲。

2.5 點滴滴速及藥液高度測量模塊

系統(tǒng)現(xiàn)場點滴速度及液位高度檢測采用光電檢測技術實現(xiàn)。紅外發(fā)光二極管與光電三極管分別作為發(fā)射管與接收管放置于點滴瓶與滴斗兩側(cè)，射管發(fā)出紅外光，光線透過輸液管照射到光電三極管，光電三極管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電流輸出。當輸液管沒有液滴通過時，光線衰減小，光電三極管輸出比較強的光電流。當輸液管有液滴通過時，由于液滴對光線吸收和散射作用，照射到光電三極管的光信號比較弱，它輸出比較弱的光電流[8]。因此，通過檢測光電三極管的輸出電流，轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號，即可探測出滴斗是否有液滴通過。通過計算連續(xù)5個液滴之間的平均間隔時間，換算成點滴速度。

點滴瓶的液位檢測原理相同，當藥液降低到警戒線以下時，紅外光由被遮擋變?yōu)橥耆丈涞浇邮展埽a(chǎn)生電壓跳變，通過現(xiàn)場單片機控制器產(chǎn)生報警信號驅(qū)動現(xiàn)場聲光報警裝置啟動。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

系統(tǒng)采用MySql數(shù)據(jù)庫作為服務器數(shù)據(jù)存儲容器，并建立數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)存儲所需要的表，連接到數(shù)據(jù)庫的服務器，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，通過與服務器的配合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除和修改等功能。數(shù)據(jù)庫主要存儲輸液和病房的信息，輸液的信息主要存儲病人的點滴滴速、藥液剩余量和輸液完成的提醒，病房的信息主要存儲溫濕度、煙霧、火花等環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫與服務器連接的部分代碼如下：

3.2 無線傳感網(wǎng)軟件設計

無線傳感網(wǎng)的軟件設計主要就是對Zigbee和主控芯片進行程序設計。首先要對使用到的各項外設進行初始化，然后各分節(jié)點分別將各自的各項環(huán)境參數(shù)或狀態(tài)信息通過Zigbee發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點[9]，最后根據(jù)接收到的來自控制終端的信息做出相應的動作。各分節(jié)點作為Zigbee協(xié)議中的路由節(jié)點（Router），具有相同的地位，且相互之間無需通信，同時為了降低功耗，對于傳感器的響應多采用中斷觸發(fā)的方式。

3.3 服務器端軟件設計

服務器端的軟件設計中，采用Java設計上位機，負責通過USB口同Zigbee接收模塊進行通信[10]，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫采用Mysql，存放來自于無線傳感網(wǎng)的環(huán)境參數(shù)和狀態(tài)信息以及用戶的驗證信息等，并且可以進行輸液數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。采用可以跨平臺的服務器技術創(chuàng)建一個動態(tài)網(wǎng)頁，服務器與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合相當好，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和高效。服務器軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5服務器軟件設計流程圖

3.4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

智能輸液病房的上位機設計主要采用B/C網(wǎng)絡架構進行設計，可實現(xiàn)通過Intnet遠程登錄監(jiān)控的功能。該系統(tǒng)通過Java語言和MySql數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，利用Tomcat服務器的支撐，通過瀏覽器遠程登錄實時管理。主要設計了用戶登錄模塊、輸液監(jiān)控模塊、區(qū)域管理模塊、用戶管理模塊、環(huán)境參數(shù)模塊和報警模塊。

（1）用戶登錄模塊主要是驗證用戶的合法性并通過校驗碼防止網(wǎng)絡受攻擊。

（2）輸液監(jiān)控模塊主要實現(xiàn)對吊瓶的點滴速度和藥液剩余量等數(shù)據(jù)的進行實時顯示和輸液完成提醒等功能。

（3）區(qū)域管理主要對醫(yī)院樓層，病房，吊瓶進行修改、增加和刪除等功能。

（4）用戶管理模塊主要對工作人員和病人進行管理。

（5）環(huán)境參數(shù)模塊主要對病房的溫濕度、煙霧和火光等參數(shù)進行顯示和報警。

（6）報警模塊主要是當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能及時將故障信息給系統(tǒng)維護人員，使故障能在最短時間內(nèi)等到解決。

監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控視圖如圖6所示。

圖6監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控視圖

4 結(jié)論

本文設計的智能輸液室監(jiān)控系統(tǒng)操作界面友好，能實現(xiàn)遠程登錄和查詢等實時監(jiān)測功能。該系統(tǒng)包括檢測系統(tǒng)，人機交互系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，充分體現(xiàn)模塊化系統(tǒng)集成的設計思想。滿足自動識別、自動檢測、自動報警的功能要求，同時考慮系統(tǒng)自身精確性和穩(wěn)定性，建設一個高度統(tǒng)一，高度信息化，自動化的智能輸液室監(jiān)控系統(tǒng)。

[1] 楊艷, 胡偉全, 程榮龍. 基于Zigbee技術的無線智能輸液監(jiān)護系統(tǒng). 成都大學學報, 2012, 31(2): 193-175.

[2] 余學飛, 賀建衛(wèi), 李拮. 基于Zigbee技術的輸液監(jiān)測系統(tǒng)設計. 暨南大學學報, 2013, (1): 51-55.

[3] 瞿犇. 基于無線網(wǎng)絡的智能輸液控制系統(tǒng)的研制. 南京航空航天學. 2007, (3):71-94.

[4] 王陳海, 吳太虎. 短距離無線通信技術發(fā)展及在醫(yī)療監(jiān)護中的應用. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備. 2008, (8): 34-37.

[5] 溫略欽, 李艷. 基于CC2510的輸液監(jiān)控無線終端的研究與設計.自動化與信息工程. 2007, (4): 92-96.

[6] 張雪敏, 沈曉. 移動輸液管理系統(tǒng)在門診輸液管理中的應用. 中國實用護理雜志. 2012, (21): 51-53.

[7] 黃政武. 基于Zigbee技術的輸液監(jiān)控系統(tǒng). 桂林理工大學學報.2012, (9): 8-42.

[8] 陳靖, 吳景東. 基于Zigbee協(xié)議的的無線傳感器網(wǎng)絡技術的分析與應用. 工業(yè)控制計算機. 2010, (18): 96-101.

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[10] 王茂金. 基于Zigbee的嵌入式醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研究. 南昌：南昌大學, 2011.