智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

王洋+黃其維

摘要：為幫助醫(yī)院護士人員提高輸液的工作效率，實現(xiàn)病人在輸液時的無人值守，設(shè)計了一款基于電子稱原理的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以K60單片機（微控制器）為控制核心，以自帶放大器的24 位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片 HX711，加上應(yīng)變電阻構(gòu)成電子稱，以無線NRF24L01與單片機完成組網(wǎng)通訊，上位機程序用C#（C Sharp）語言開發(fā)完成。該設(shè)計能夠完成在電腦端實時顯示輸液進度，并且顯示對應(yīng)的病床號，對輸液進度也能提前預(yù)警。經(jīng)過測試證明，該系統(tǒng)安全可靠，方便實用。

關(guān)鍵詞：微控制器；無線通信；上位機；智能輸液；液晶顯示器

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中常用的輔助醫(yī)療手段。目前，對靜脈輸液的監(jiān)控普遍采用人工方式，都是由護士陪護，如無陪護或醫(yī)護人員及時換藥或拔針頭，將會出現(xiàn)空氣進入血管內(nèi)形空氣塞、凝血堵針頭等情況。輕則延誤治療，重則發(fā)生嚴(yán)重醫(yī)療事故。目前，臨床上使用的國內(nèi)外生產(chǎn)的自動輸液器大多是蠕動泵式單立輸液器，一般只有堵液報警和總量完成報警等功能，不具有集中監(jiān)控單位輸液量的功能；部分醫(yī)院采用以病人求救線作為CAN總線實現(xiàn)分布式輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計取得了一定的成效，但絕大多數(shù)中小醫(yī)院特別是社區(qū)醫(yī)院缺少此類設(shè)備。因此，本文針對這些問題，基于單片機技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和上位機技術(shù)，研究設(shè)計了一套分布式智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場按鍵或上位PC機對點滴輸液余量的自動檢測控制，利用單片機實時調(diào)整液滴速度和LCD顯示屏實時顯示藥液余量，實時監(jiān)測儲液瓶藥的余量，當(dāng)液位超過警戒值時，本地和醫(yī)護辦公室同時報警并顯示床位號。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計要求分析，每個子節(jié)點系統(tǒng)大致分為：主控模塊、按鍵模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、無線模塊、控制模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1 所示。

本系統(tǒng)通過電阻應(yīng)變片傳感器完成點滴瓶內(nèi)液體重量的采集，由單片機MK60DN512Z為核心組成的現(xiàn)場監(jiān)控完成對采集數(shù)據(jù)的分析與處理?？砂凑赵O(shè)定值要求實時控制步進電機以保證滴液速度，若瓶內(nèi)液位低于設(shè)定值時，自動啟動報警，提示醫(yī)護人員換藥或拔針。各監(jiān)控現(xiàn)場控制器通過無線傳輸芯片NRF24L01實現(xiàn)與控制總站的數(shù)據(jù)通信，控制總站核心控制器MK60DN512Z與上位機通過USB接口連接。上位機采用普通PC機，通過USB通信適配器與工作總站相連，進行信息交換，負(fù)責(zé)進行整個系統(tǒng)的監(jiān)視管理。工作總站控制器接收上位PC機的各種操作控制命令和設(shè)定參數(shù)；各現(xiàn)場控制器實時采集各模擬量輸入通道值，控制信號。上位PC機實時監(jiān)視各點滴吊瓶內(nèi)藥液余量，并可進行現(xiàn)場余量的實時監(jiān)控。系統(tǒng)以MK60DN512Z單片機為監(jiān)控節(jié)點控制器，將其與現(xiàn)場滴液余量檢測、報警電路、顯示電路、按鍵電路等相連，構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的一個智能節(jié)點；并控制由NRF24L01無線收發(fā)芯片及外圍電路構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，將控制總站與各現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點相聯(lián)，實時監(jiān)控各設(shè)備狀態(tài)，并可實現(xiàn)監(jiān)控方案下載更新，無需另外布線，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，大大節(jié)省了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建設(shè)帶來的人力物力的消耗。

2 設(shè)計原理

系統(tǒng)現(xiàn)場點滴余量檢測采用電阻應(yīng)變片傳感器技術(shù)實現(xiàn)。將電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋電路置于點滴桿上，通過采集全橋電路的輸出電壓值的大小。電壓值大小的變化即代表點滴重量的變化。因此，通過檢測輸出電壓的變化，即可探測出點滴的藥液余量；若系統(tǒng)檢測到的藥液余量小于設(shè)定余量時，則通過現(xiàn)場單片機控制器產(chǎn)生報警信號驅(qū)動蜂鳴器報警。同時在本設(shè)計中，還利用蠕動泵來改變點滴速度，并通過按鍵設(shè)定點滴速度的大小，LCD顯示器顯示藥液余量、報警時間等參數(shù)。

3 硬件方案設(shè)計

智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計主要包括現(xiàn)場監(jiān)控子站、控制總站以及上位PC機三部分組成。其中，監(jiān)控子站檢測電路等設(shè)計是本設(shè)計中的重點。故下面僅對系統(tǒng)想常監(jiān)控子站部分功能模塊進行分析設(shè)計。

3.1無線模塊的設(shè)計

該無線模塊是系統(tǒng)和單片機與上位機（計算機應(yīng)用軟件）之間數(shù)據(jù)交換的橋梁，是系統(tǒng)正常工作必不可少的部分。

3.2電源模塊的設(shè)計

系統(tǒng)電源是系統(tǒng)工作必要的一個部分。為了保證控制系統(tǒng)與電子稱模塊的穩(wěn)定運行，避免模塊之間的互相干擾，在該系統(tǒng)中使用了LM2940-5.0V 穩(wěn)壓芯片和三個AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片對整個系統(tǒng)供電。對于該電源芯片的使用非常簡單，只需要在輸入端輸入大于5V 小于10V 的電壓，輸出端就可以得到5V和3.3V電壓。

3.3顯示模塊的設(shè)計

為了讓輸液端也能實時的看到輸液進度，因此采用具有體積小巧，功耗低，操作簡單等特點的TFT顯示屏來顯示輸液進度的相關(guān)信息。

3.4按鍵模塊的設(shè)計

為了便于護士調(diào)整輸液端的零點，以及控制輸液的開始，以及控制病人呼叫醫(yī)生等等。

3.5 A/D模塊的設(shè)計

為了實現(xiàn)實時監(jiān)測輸液進度的功能，本設(shè)計采用電子稱稱重量的方式來模擬確定輸液進度。電子稱模塊是使用四個應(yīng)變片構(gòu)成電橋?qū)㈦姌虻乃膫€連接線接HX711 帶運放的24 位高精度ADC 構(gòu)成。

3.6 12V升壓模塊設(shè)計

電機驅(qū)動芯片采用COMS管組成的H橋電路，需要用到12V電源，采用集成芯片升壓，完成電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動。

3.7 上位機方案設(shè)計

開發(fā)工具基于windows平臺進行開發(fā)，開發(fā)語言C#（C Sharp），開發(fā)環(huán)境VS2015，運行與.NET平臺，使用MFC、windows API和自己創(chuàng)建控件進行界面設(shè)計，界面主體包括一個主窗體和大量子窗體，功能上主要實現(xiàn)接收顯示NRF24L01模塊獲得的輸液信息。

4 軟件方案設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計使用到的東西都需要程序來控制，因此需要對各個模塊編寫驅(qū)動程序，當(dāng)需要操作這些模塊只需要調(diào)用函數(shù)庫里面的函數(shù)即可。首先需要進行各個模塊的初始化，如TFT液晶顯示模塊、I/O 口、定時器等。在初始化完成后輸液端就開始檢測是否存在網(wǎng)路節(jié)點，有的話則加入，加入之后檢測當(dāng)前的輸液狀態(tài)，如果檢測到正在輸液則檢查輸液進度，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控端，輸液完成后回到檢測是否正在輸液。而在監(jiān)控端則查詢是否有網(wǎng)絡(luò)加入，如果有網(wǎng)絡(luò)加入，則檢測是否正在輸液，如果正在輸液則顯示對應(yīng)病床號的輸液進度，輸液即將結(jié)束就提前報警告知護士人員，輸液完成回到檢測是否正在輸液。

5 系統(tǒng)總結(jié)

系統(tǒng)通過采用電阻應(yīng)變片測量藥液余量的方案：利用電阻應(yīng)變片采集藥液的重量，從而顯示藥液余量。經(jīng)過多次實驗驗證。由測試實驗結(jié)果可看出，當(dāng)藥液余量不足2%時則自動報警的時間較為精確。另外，若能將傳感器采值得精確度提高，則系統(tǒng)的調(diào)整時間還可能縮短。

智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)可方便地實現(xiàn)多點輸液注射過程中的集中監(jiān)控與管理，改善了醫(yī)護人員的工作條件，減少了醫(yī)護人員工作量及監(jiān)護不當(dāng)造成的醫(yī)療事故，把醫(yī)護人員徹底從煩瑣的勞動中解放出來，具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、成本低廉、操作簡便等優(yōu)點，滴速及儲液瓶內(nèi)液位監(jiān)視報警輸出信號可靠、準(zhǔn)確，具有較高的實用價值和經(jīng)濟效益，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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