分布式病房監(jiān)測裝置的設計

孫 曉，胡威林，吳吉平，吳 上，武宇龍

（湖南工業(yè)大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

分布式病房監(jiān)測裝置的設計

孫 曉，胡威林，吳吉平，吳 上，武宇龍

（湖南工業(yè)大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

為了減輕醫(yī)務人員的負擔和保證病人的安全，設計了一種分布式病房監(jiān)測裝置。該裝置以無線通訊技術、光線折射/散射原理為基礎，實現(xiàn)病房輸液監(jiān)測的自動化和智能化。紅外發(fā)射器（IR908）發(fā)射的紅外線透過輸液管，被紅外接收器（PT908）接收，由于輸液管中的藥液變化會改變接收光線的強弱，引起紅外接收器的電壓變化，最后單片機對紅外接收器的電壓進行判斷。實驗結果表明：該裝置結構簡單、可靠性高、成本低廉，且能實現(xiàn)長時間的自動監(jiān)測。

分布式；病房監(jiān)測裝置；紅外線；半透明管；單片機

隨著社會的高速發(fā)展,人們的生活節(jié)奏越來越快，壓力也隨之增大，導致生活作息不規(guī)律，人們生病的幾率越來越高。對于病人來說，輸液是迅速緩解病情的一種有效途徑。目前，輸液過程都是通過病人或醫(yī)務人員的人工實時監(jiān)測，這增加了病人和醫(yī)務人員的勞動強度。針對輸液過程中出現(xiàn)缺液的情況，本文提出了一種分布式病房監(jiān)測裝置，利用紅外線的光學原理來監(jiān)測輸液。該監(jiān)測裝置減少了醫(yī)護人員的工作量，提高了輸液的安全性。

1 監(jiān)測裝置介紹

1.1 監(jiān)測裝置的組成

分布式病房監(jiān)測裝置由主機和分機組成。1臺主機最多可以配置99臺分機，主分機之間采用無線射頻傳輸數(shù)據(jù)（433 MHz）。主機一般由醫(yī)院的科室掌管，不同的主機采用不同的系統(tǒng)碼，以避免相互干擾。每個床位配置1臺分機，床位號設置為2位撥碼開關。當分機檢測到輸液完畢時，發(fā)出聲光報警，并向主機發(fā)出射頻信號。主機接收到信號后，發(fā)出聲光報警，并顯示床位號，便于護士查看。病房監(jiān)測裝置[1]結構如圖1所示。

圖1 分布式病房監(jiān)測裝置結構示意圖Fig. 1 The structure diagram of distributed monitoring device for wards

1.2 監(jiān)測裝置的工作原理

藥水對紅外線[2]的散射作用會導致接收端的紅外線減弱，輸出電壓下降。因此，判斷輸液是否完畢的工作原理是：當輸液管[3]的狀態(tài)發(fā)生變化即從有水到無水（輸液完畢）時，輸出電壓會顯著升高。如果輸液管為半透明管時，輸出電壓升高幅度為50%～100%。如果輸液管為透明管時，輸出電壓升高幅度會大于等于100%。

判斷輸液是否完畢的具體方法如下：

1）設置判決標準值U0。開機后，延時1 s（該期間進行電池電壓檢測），控制紅外發(fā)射管發(fā)射如圖2所示的連續(xù)脈沖，連續(xù)采樣5個紅外接收管的輸入數(shù)據(jù)[4]。如果該5個輸入數(shù)據(jù)的絕對誤差≤10%，則取其中值作為判決的標準，設為U0。如果該5個輸入數(shù)據(jù)的絕對誤差≥10%，則重新采樣5個輸入數(shù)據(jù)，直到合格為止。如果U0≤0.5 V，則輸出錯誤報警。

圖2 紅外線發(fā)射管的工作信號Fig. 2 Work signal of Infrared transmission tube

2）檢測判決標準值U0是否正確。如果連續(xù)3次檢測到的輸入信號UI均為UI≤0.7U0，說明判決標準值U0錯誤，則重復步驟1的工作。該步的意義是，開機后輸液報警器的卡槽內可能是空的，也可能是無水輸液管，也可能是有水輸液管。空置時，輸出電壓最高；有藥水時，輸出電壓最低[5]。因此，只有采樣到有水時的輸出電壓作為判決標準才正確。

3）判斷輸液是否完畢。如果連續(xù)3次檢測到的輸入信號UI均為UI≤1.3U0，表示輸液完畢，發(fā)出聲光報警，無線模塊向主機發(fā)出輸液完畢的報警信號。

2 監(jiān)測裝置設計

2.1 紅外線發(fā)射器與接收器

1）紅外線發(fā)射器

紅外發(fā)射器（IR908）是一種光學發(fā)射器件，其波段范圍為近紅外，采用連續(xù)式的運轉方式。通電后，單片機的1個I/O口輸出紅外線發(fā)射管的工作信號，要求高電平驅動電流≥5 mA。如達不到，則增加外部驅動電路。

2）紅外線接收器

紅外接收器（PT908）的波段范圍為遠紅外，采用連續(xù)式的運轉方式和電激勵式的激勵方式。將單片機[6]的1個I/O口（帶8位A/D轉換）作為紅外線檢測信號的輸入端。紅外線發(fā)射器為高電平脈沖時，輸入信號延時1 ms開始A/D轉換；高電平脈沖結束前1 ms停止A/D轉換。每個高電平脈沖期間，采樣5次，A/D轉換的時間≤1 ms，將5次的A/D轉換結果取中值（排序后，取中間值）作為輸入信號，用來判斷輸液報警是否動作。

2.2 分機地址（床位號）設定

在產(chǎn)品定型中，可用下述3種方法設定分機地址（床位號）：

1）采用2位8421編碼的撥碼開關，地址范圍為00～99，需占用單片機的8個I/O端口。

2）采用4位8421編碼的撥碼開關，地址范圍為0000～9999，需要占用16個單片機的I/O端口，如單片機的端口不夠用，可考慮用硬件電路進行并行數(shù)據(jù)轉串行數(shù)據(jù)。

3）采用4個按鍵加LCD顯示屏的方式。

2.3 分機聲光報警

分機設有紅、綠2個LED指示燈和蜂鳴器，用來指示不同的工作狀態(tài)。不同工作狀態(tài)如下。

1）獲取判決標準值U0時，紅、綠指示燈長亮，蜂鳴器不響。

2）正常工作時，綠燈亮0.3 s，滅1.7 s。

3）輸液完畢時，紅燈亮0.5 s，滅0.5 s閃爍，直至輸液完畢的判決條件不滿足或關閉電源，停止光報警。蜂鳴器響0.5 s，停0.5 s，報警時長為10 s后自動關閉聲音報警，或輸液完畢的判決條件不滿足時停止聲音報警。

4）電池電壓不足時的報警方法，紅燈長亮5 s，蜂鳴器連續(xù)響5 s。

2.4 分機無線信號發(fā)射

分機向主機發(fā)射射頻信號，每次的發(fā)射周期≤10 ms（發(fā)射周期越短越好）。發(fā)射的信號應包括同步信號、系統(tǒng)碼、分機地址碼（床位號）、分機工作狀態(tài)（正?；驁缶┑取７謾C無線信號的發(fā)射方法具體如下：

1）分機正常工作時，每5 min向主機發(fā)射1次正常工作信號，表明該分機工作正常。

2）輸液完畢時，每1 min向主機發(fā)射1次報警信號。

3 實驗分析

3.1 實驗方法與實驗過程

輸液管直徑為3.5 mm，分為半透明管（磨砂）和透明管2種。本文分別對2種輸液管在有水和無水條件下進行了輸出電壓的監(jiān)測。紅外發(fā)射器與接收器位于輸液管外側不同的檢測位置，其不同的位置，對紅外線的影響不同。實驗電路[4]如圖3所示。

圖3 實驗電路圖Fig. 3 The diagram of test circuit

紅外發(fā)射器與接收器的間距為5.6 mm。由于外界光線（自然光和日光燈）對輸出電壓的影響為0.1 V左右。在不屏蔽外界光線的影響下，空置（紅外發(fā)射管與接收管之間為空氣）時，。紅外接收器在半透明管和透明管不同位置的輸出電壓如圖4所示。

圖4 輸液管不同位置的輸出電壓Fig. 4 Output voltages at different locations of infusion tube

由圖4可知，在輸液管的邊緣位置，藥水對紅外線具有折射、散射作用，使接收端信號減弱，輸出電壓下降。因此，本文利用上述原理來判斷輸液是否完畢。紅外線發(fā)射接收器在輸液管中的檢測安裝位置如圖5所示。

圖5 紅外線在輸液管中的檢測位置Fig. 5 Infrared ray detection position in the infusion tube

3.2 半透明管實驗

在電池電壓U= 3.0 V ，發(fā)射電流I=3.66 mA的條件下，根據(jù)以上分析得出，需對半透明管在不同狀態(tài)條件下進行9組藥水監(jiān)測實驗。在無水半透明管、有水漬半透明管、有水半透明管3種情況下，紅外接收器的電壓變化情況[5,7]如表1所示。

表1 紅外接收管的電壓變化表Table 1 The voltage change of infrared receiver V

由表1可知：

1）不同輸液管或者同一輸液管的不同位置，對紅外線的散射作用不一樣。這是由于輸液管的管壁厚度不均勻，輸液管的圓度不一致所造成。

2）對于不同輸液管或輸液管的不同位置，以有水半透明管的輸出電壓為基準。當輸液管從有水到無水狀態(tài)變化時，輸出電壓上升48.4%～108.3%，滿足判決要求（上升30%以上）。

4 功耗分析

4.1 電池供電分析

AAA堿性電池[8]的電量一般在450～600 mA·h，電池電量的大小與放電方式有很大關系。如用500 mA對7號堿性電池（雙鹿）放電到1 V，得到容量400 mA· h，但是用10 mA對其放電到1 V，可以得到容量1 100 mA·h。因此，7號電池以小電流放電，可以得到2 000 mA·h以上的容量。輸液報警器的連續(xù)放電電流≤2 mA，間隙放電電流≤100 mA（占空比≤1%），放電終止電壓為1.3 V。按此工作方式，電池電量按400 mA·h計算。

4.2 輸1瓶藥液所需電量分析

假設輸1瓶藥液（150 mL藥水）的時間為1 h；輸液完畢后，報警時間為5 min。各單元電路的耗電量如表2所示。

表2 各單元電路的耗電量Table 2 The power consumption of each unit circuit

由表2可知，所有單元電路的耗電量為2 081.7 mA·s，即約0.58 mA·h。因此，1對7號南孚AAA堿性電池可以輸液的數(shù)量約1 379瓶。

5 結語

本文基于點滴看護的繁瑣與安全性，設計了一種分布式病房監(jiān)測裝置。分布式病房監(jiān)測裝置由主機和分機組成。該裝置以無線通訊技術、光線折射/散射原理為基礎，采用將接收光線強弱轉化為輸出電壓的變化，通過單片機控制，實現(xiàn)病房輸液監(jiān)測的自動化和智能化。最后，利用制造的樣機在接收和發(fā)射器不同監(jiān)測位置和輸液管不同狀態(tài)條件下進行測試實驗。測試結果表明，本監(jiān)測裝置能實現(xiàn)遠距離多分機發(fā)送報警信號，監(jiān)測過程中，未出現(xiàn)錯誤報警情況。該裝置結構簡單、可靠性較高、成本低廉，可以滿足各醫(yī)院對于點滴監(jiān)控的要求。

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（責任編輯 ：鄧 彬）

Design of Distributed Monitoring Device for Wards

Sun Xiao，Hu Weilin，Wu Jiping，Wu Shang，Wu Yulong
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In order to reduce the burden on medical staff and ensure the safety of patients, a distributed monitoring device for wards is designed. It realizes the automation and intelligence of the ward transfusion monitoring on the basis of the wireless communication technology and the light refraction and scattering principle. The infrared ray transmitted by infrared transmitter (IR908) is received by infrared receiver (PT908) through the infusion tube, the change of liquid in the infusion tube could alter the receiving light intensity which leads to the voltage change of the infrared receiver, and the SCM identifies the voltage of infrared receiver finally. The experimental results show that the device has simple structure, high reliability, low cost, which realizes the automatic monitoring for a long time.

distributed；monitoring device for wards；infrared ray；translucent tube；single-chip microcomputer

TP277.2

A

1673-9833(2015)03-0067-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.013

2015-02-26

湖南工業(yè)大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX1311）

孫 曉（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學教授，碩士生導師，主要從事機電控制與計算機應用技術方面的教學與研究，E-mail：sxbug@163.com