基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

覃茂昌 龐美伶 鄭永杰 鐘翠麗 羅曉春 陳俊帆 袁琳

摘 要：在各級(jí)醫(yī)院中，靜脈輸液是一種普遍的治療手段。針對(duì)醫(yī)院傳統(tǒng)靜脈輸液的病人多且輸液時(shí)間長，造成醫(yī)護(hù)人員工作壓力大等問題，文中設(shè)計(jì)了一套基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用紅外對(duì)射管進(jìn)行液滴信號(hào)的采集，通過STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者輸液狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)患者靜脈輸液滴速、剩余量等狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控以及異常情況的聲光警報(bào)。

關(guān)鍵詞：靜脈輸液;智能監(jiān)控;STC89C52RC;HC-12無線傳輸;紅外光電傳感;輸液滴速

中圖分類號(hào)：TP391;R471文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

靜脈輸液因其有著安全便捷、見效快、生物利用度高等優(yōu)點(diǎn)成為臨床醫(yī)學(xué)普遍使用的一種輔助治療手段[1-2]。在對(duì)病人進(jìn)行輸液治療的過程中，醫(yī)護(hù)人員須根據(jù)每個(gè)患者的病情輕重而對(duì)輸液速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。如輸液過快，將會(huì)導(dǎo)致循環(huán)血量增加，加重心臟的負(fù)擔(dān)，引起副作用及不良反應(yīng);當(dāng)輸液太慢時(shí)，將可能導(dǎo)致血凝塊堵塞輸液針管[3-4]。

因此，在許多中小型醫(yī)院中，病人患者在靜脈輸液治療過程中通常需要醫(yī)護(hù)人員或者患者家屬進(jìn)行監(jiān)護(hù)。這極大地增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量及工作壓力，醫(yī)護(hù)的效率和質(zhì)量難以提高，也常常造成一些病人的不滿和投訴，甚至引發(fā)醫(yī)患糾紛[5-7]。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個(gè)部分：一部分是作用于靜脈輸液端的靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過紅外對(duì)射管檢測(cè)液滴信號(hào)，將STC89C52RC作為主控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)輸液數(shù)據(jù)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并且將數(shù)據(jù)通過HC-12無線模塊傳輸。另一部分是放置在護(hù)士站，供醫(yī)護(hù)人員使用的靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過HC-12無線模塊接收患者靜脈輸液狀態(tài)的信息，通過STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將輸液狀態(tài)信息通過LCD顯示屏顯示，并且當(dāng)監(jiān)控到輸液信息異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。通過HC-12無線模塊實(shí)現(xiàn)的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，有效降低了醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以幫助醫(yī)護(hù)人員更好地監(jiān)測(cè)各病患的輸液情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它主要由作用于靜脈輸液端的靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)和作用于護(hù)士站的靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。

靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)由STC89C52RC主控制模塊、速度檢測(cè)模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示和按鍵模塊、無線發(fā)送模塊組成。其采用紅外光電傳感器檢測(cè)液滴信號(hào)，將信號(hào)整形后傳輸給單片機(jī)STC89C52RC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并加以顯示。當(dāng)?shù)嗡俪^所設(shè)定的閾值時(shí)將觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒患者家屬以及醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理，并且實(shí)時(shí)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送輸液狀態(tài)。

靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括STC89C52RC主控制模塊、無線接收模塊、LCD顯示模塊和聲光報(bào)警模塊。其中，主控制模塊通過無線接收模塊接收靜脈輸液狀態(tài)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;對(duì)輸液各類數(shù)據(jù)進(jìn)行LCD液晶屏顯示，并對(duì)異常輸液情況進(jìn)行報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者靜脈輸液的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)

2.1.1 主控制模塊

此部分設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC89C52RC作為主控制板。STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含有3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷、全雙工串行口。主控制模塊及其外圍電路如圖2所示。

2.1.2 速度檢測(cè)模塊

點(diǎn)滴速度檢測(cè)模塊通過紅外對(duì)射管進(jìn)行滴速檢測(cè)。LM393為雙電壓比較器，用于液滴信號(hào)的整形。當(dāng)有液滴滴下則a點(diǎn)輸出高電平，此時(shí)第6引腳電壓高于第5引腳，P3.3口輸出低電平，信號(hào)燈D3亮起，表示檢測(cè)到液滴信號(hào);若無液滴滴下的情況則反之。速度檢測(cè)模塊電路如圖3所示。

2.1.3 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊如圖4所示。系統(tǒng)工作前先手動(dòng)設(shè)置滴速的上、下限以及輸液容量，若檢測(cè)到的速率超過預(yù)先設(shè)置的閾值范圍，蜂鳴器啟動(dòng)，報(bào)警LED燈亮起。若在阻塞或藥液輸完的情況下，系統(tǒng)超過10 s沒有檢測(cè)到液滴，同樣觸發(fā)聲光報(bào)警。

2.1.4 顯示和按鍵模塊

數(shù)據(jù)收集和發(fā)送部分的顯示采用兩位LED數(shù)碼管，顯示范圍為0～99。此部分有四個(gè)工作模式，分別對(duì)應(yīng)正常測(cè)滴速、滴速上限的設(shè)置、滴速下限的設(shè)置以及輸液總?cè)萘康脑O(shè)置這四個(gè)功能模塊。工作模式的切換以及參數(shù)的設(shè)置通過三個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)。

2.1.5 無線發(fā)送模塊

靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)在檢測(cè)到液滴信號(hào)并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，通過無線傳輸模塊HC-12將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收器。無線傳輸HC-12的連接方式如圖5所示。方案選擇的HC-12模塊完全符合所需的功能以及環(huán)境條件的需求。其模塊內(nèi)置有MCU，且無需再對(duì)無線模塊中的MCU另外軟件編程，在模塊可選的各種傳輸模式下，只負(fù)責(zé)發(fā)送和接收串口數(shù)據(jù)。該模塊分立元件很少，傳送延時(shí)僅僅4～80 ms，通信方式是半雙工通信。此傳輸模塊具有較廣的傳輸范圍，在1 000 m范圍內(nèi)都可正常通信，且在正常傳輸范圍內(nèi)的傳輸效率非常高。

2.2 靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)放置在護(hù)士站供醫(yī)護(hù)人員使用。系統(tǒng)通過HC-12無線接收模塊對(duì)靜脈輸液采集系統(tǒng)采集到的靜脈輸液狀態(tài)進(jìn)行無線接收，再對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

2.2.1 主控制模塊

數(shù)據(jù)接收部分的數(shù)據(jù)處理同樣采用單片機(jī)STC89C52RC完成。無線模塊HC-12接收到數(shù)據(jù)后，將其傳輸至單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理。無線模塊HC-12接收到的數(shù)據(jù)包括輸液瓶的編號(hào)、總液量、滴速、滴速的上限和下限，單片機(jī)分別將數(shù)據(jù)進(jìn)行分離處理，并將其顯示在LCD1062液晶屏上。

2.2.2 LCD1602顯示模塊

顯示采用LCD1602字符型液晶屏，LCD液晶顯示屏電路原理如圖6所示。顯示的內(nèi)容包括病患的床位編號(hào)、藥液當(dāng)前滴速、輸液藥物總量、所設(shè)置滴速上限及下限、開關(guān)標(biāo)志，分兩行顯示。例如N10 V60 C400，H80 L40 K1，依次表示為：病床號(hào)10、滴速60滴/min、總量400 mL、上限80滴/min、下限40滴/min、開關(guān)打開。

此系統(tǒng)還包含了聲光報(bào)警電路。當(dāng)病人輸液端的數(shù)據(jù)異常時(shí)蜂鳴器報(bào)警，并點(diǎn)亮LED報(bào)警指示燈，提醒醫(yī)護(hù)人員需要換液或者處理其他異常情況，該系統(tǒng)減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主函數(shù)設(shè)計(jì)

此部分軟件主函數(shù)設(shè)計(jì)流程如圖7所示。主要實(shí)現(xiàn)流程為：首先對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化，再分別調(diào)用顯示子函數(shù)以及掃描按鍵子函數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到液滴信號(hào)則打開計(jì)算開關(guān)進(jìn)行滴速的計(jì)算。

3.2 按鍵功能設(shè)計(jì)

按鍵控制著工作模式以及輸液參數(shù)的設(shè)置，各按鍵的功能以及工作模式的設(shè)置流程如圖8所示。開機(jī)即默認(rèn)進(jìn)入工作模式1，按下按鍵1工作模式加一，工作模式2和工作模式3分別用來設(shè)置正常滴速的上限和下限，按鍵2和按鍵3分別為數(shù)值的加鍵、減鍵，工作模式4為輸液容量的設(shè)置。

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中，靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)如圖9所示，靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)如圖10所示。將輸液袋裝滿水，并將茂菲氏滴管（Murphys Dropper）夾在靜脈輸液狀態(tài)采集系統(tǒng)的紅外對(duì)射管之間，一旦系統(tǒng)中的LED信號(hào)燈閃爍則代表傳感器檢測(cè)到了液滴滴下。通過外接電源為采集系統(tǒng)提供5 V工作電源，將按鍵控制部分焊接到獨(dú)立的洞洞板上，以方便調(diào)試過程中工作模式的設(shè)置。無線模塊發(fā)送端則通過RXD、TXD通信接口與主控單元連接，共地共電源。

通過按鍵設(shè)定滴液速度的上限和下限（滴/min），設(shè)定輸液袋的液體容量。打開茂菲氏滴管夾，開始滴液，紅外對(duì)射管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)滴液的速度，當(dāng)?shù)嗡俪^所設(shè)定的閾值或輸液狀態(tài)發(fā)生異常，該模塊發(fā)送聲光報(bào)警提醒患者和醫(yī)護(hù)人員，并且通過無線傳輸發(fā)送模塊將輸液瓶的編號(hào)、藥液總量、滴速和上下限發(fā)送到護(hù)士站端的靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

通過外接電源為靜脈輸液狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)提供5 V工作電壓。該監(jiān)控系統(tǒng)通過無線接收模塊接收輸液瓶的編號(hào)、藥液總量、滴速和上下限等信息，通過單片機(jī)控制顯示在LCD液晶屏中。當(dāng)輸液狀態(tài)發(fā)生異常或滴速超過所設(shè)定的閾值時(shí)，該監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送聲光報(bào)警提醒醫(yī)護(hù)人員及時(shí)處理。

5 結(jié) 語

基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用MCS-51單片機(jī)和紅外對(duì)射管傳感器，具有低成本、高速度、操作簡(jiǎn)易、使用方便、易于推廣的優(yōu)點(diǎn)。兩個(gè)分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用HC-12無線傳輸方案，無線傳輸距離遠(yuǎn)且速度快，傳輸數(shù)據(jù)的過程也很穩(wěn)定，使得系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療設(shè)備的要求越來越高。靜脈輸液是醫(yī)院非常普遍的治療手段[8-10]，輸液監(jiān)控器材的使用也愈發(fā)廣泛，且智能監(jiān)控設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是無線化、網(wǎng)絡(luò)化[11-12]，因此本文提出的輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)成為各醫(yī)院的主流產(chǎn)品，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

注：本文通訊作者為覃茂昌。

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