基于單片機的點滴輸液報警系統(tǒng)設計

韋邵云 劉 偉

（桂林理工大學，廣西 桂林 541006）

靜脈注射是一種專門用于臨床治療疾病的手段，通過人體靜脈注射藥液，具有療效快、操作方便、對身體損害小等優(yōu)點。然而，不當?shù)妮斠悍椒ㄈ菀装l(fā)生醫(yī)療事故，例如：滴注過快，易產(chǎn)生不良反應，甚至危及生命；不能及時觀察剩余量，導致無藥輸液；持續(xù)性的過量輸注，易造成循環(huán)系統(tǒng)負荷過重等等。本文以實時遠程監(jiān)控輸液為目標，設計一個點滴輸液報警系統(tǒng)，讓患者可以得到休息，減輕醫(yī)護人員的壓力，提高醫(yī)護人員的工作效率。

1 系統(tǒng)總體方案

點滴輸液報警系統(tǒng)的總體框圖如圖1 所示。該系統(tǒng)由單片機、液位傳感器、紅外計數(shù)傳感器、DS1302 時鐘模塊、按鍵電路、無線通信模塊、OLED 顯示屏等幾部分組成。

圖1 點滴輸液報警系統(tǒng)

其中，單片機為STM32F103C8T6，負責控制系統(tǒng)內(nèi)的各個模塊。液位傳感器主要負責液位報警，紅外計數(shù)傳感器負責輸液速度檢測，DS1302 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定時鐘，按鍵電路為系統(tǒng)提供設置輸液時間和病人報警的功能，無線通信模塊使用ESP8266 模塊，方便系統(tǒng)與服務器、手機APP 進行數(shù)據(jù)交互，OLED 屏顯示系統(tǒng)時間和輸液信息[1]。

主控制器接收液位傳感器和紅外計數(shù)傳感器的輸出信息，并將綜合處理后的信息發(fā)送到ESP8266 模塊，通過內(nèi)部的機智云固件，上傳至服務器，用戶在手機APP 端查看，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)設計

2.1 單片機

主控制器為STM32 開發(fā)板，芯片為STM32F103C8T6 單片機。該單片機由意法半導體(ST)開發(fā)，基于ARM Cortex-M內(nèi)核。與51 單片機相比，其功能更為強大，性能更高，穩(wěn)定性更好。STM32 系列單片機自帶主流外設，且其內(nèi)核擁有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點[2]。

系統(tǒng)使用MicroUSB 接口供電，可以提供5V的直流電輸入，保證系統(tǒng)正常工作。5V 主要提供給液位檢測傳感器、紅外對射計數(shù)傳感器和時鐘模塊工作，STM32F103C8T6、OLED 液晶屏和ESP8266-12F的工作電壓是3.3V，通過開發(fā)板上的AMS1117芯片負責降壓。

2.2 液位傳感器

液位報警是利用液位傳感器的工作原理實現(xiàn)。如圖2 所示，根據(jù)有水狀態(tài)與無水狀態(tài)時分布電容的變化來判斷測試傳感器位置是屬于有水狀態(tài)或是無水狀態(tài)，由此實現(xiàn)檢測[3]。

圖2 液位傳感器

使用時，將傳感器緊貼輸液管，也可以緊貼輸液瓶底部，當液體達到傳感器探測位置時即有電平信號輸出，從而完成液位的檢測。只有檢測到了有液體存在，才能進行輸液速度檢測。

2.3 紅外計數(shù)傳感器

紅外計數(shù)，利用紅外光的變化來完成輸液速度的檢測[4]。采用進口槽型光耦傳感器，檢測靈敏度高；檢測時，通過夾持輸液器滴斗，在不接觸液體的情況下完成滴速檢測，保證輸液安全。模塊使用的比較器是LM393，得到的輸出信號干凈、波形好、誤差小。

如圖3，檢測槽中有物體通過時，會引起紅外光耦的變化，每通過一次，就會產(chǎn)生一次高電平，通過OUT 開關信號輸出。

圖3 紅外計數(shù)傳感器電路圖

計算輸液速度的過程如下：檢測4 滴液體x（單位為滴），記錄這4 滴液體通過檢測槽時一共花了多少時間t（單位為秒s），根據(jù)公式，計算出這4 滴液體的速度v（單位為滴/s），將這個速度v 轉(zhuǎn)化成百分比。通過手機APP，設置好輸液速度上限，如果這個速度v 超過設置的輸液速度上限，系統(tǒng)就會進行聲光報警。

2.4 DS1302 時鐘模塊

這里用到的時鐘芯片是DS1302，由美國DALLAS 公司推出的具有掉電保護的低功耗時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，配合頻率為32.768kHz的外部晶振組成時鐘模塊電路。

2.5 按鍵電路

系統(tǒng)能設置輸液時間和病人報警，通過增加按鍵電路來實現(xiàn)這兩個功能。按鍵電路共有四個按鍵：KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。其中KEY1 和KEY2 為輸液時間加減鍵，KEY3 為輸液時間設置鍵，KEY4 為病人報警鍵。

當KEY3 按下時，系統(tǒng)進入輸液時間設置程序，默認為10分鐘。此時，按下KEY1，輸液預設時間增加，若按下KEY2，則輸液預設時間減少。當需要報警時，按下KEY4，系統(tǒng)的輸液狀態(tài)就會顯示為報警，指示燈亮起，再次按下KEY4，報警狀態(tài)解除，指示燈滅。

2.6 無線通信模塊

無線通信模塊使用的是2.4G WIFI 模塊ESP8266-12F，該模塊內(nèi)置完整的TCP/IP 協(xié)議棧，可以通過串口通信進行數(shù)據(jù)傳輸，為系統(tǒng)添加聯(lián)網(wǎng)功能。

系統(tǒng)可選擇單機模式運行，也可聯(lián)網(wǎng)模式使用。配置WIFI模塊的聯(lián)網(wǎng)模式：如果之前已經(jīng)連上過WIFI，拔插短接片就會連上之前的WIFI 網(wǎng)絡；如果是首次連接WIFI，則通過復位按鍵和手機APP 操作連接。等待十秒左右，系統(tǒng)就能連上機智云的服務器，實現(xiàn)單片機與機智云服務器、手機APP的數(shù)據(jù)交互。如果沒有聯(lián)網(wǎng)成功，則WIFI 模塊的指示燈就會進入快速閃爍狀態(tài)，此時需要重新配置網(wǎng)絡。

在云端，用戶通過手機APP 來向服務器發(fā)送控制指令，因為服務器端和下位機內(nèi)的數(shù)據(jù)點是一一對應的，非常方便。

3 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件以Keil 作為編輯軟件，以STM32F103C8T6為核心，結(jié)合傳感器檢測到的結(jié)果將輸出信號送至單片機處理，進而實現(xiàn)點滴輸液報警。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 點滴輸液報警系統(tǒng)軟件流程圖

當液位傳感器沒有檢測到液體，進行聲光報警；檢測到有液體存在，在手機APP 中設置輸液速度上限，由紅外計數(shù)傳感器檢測輸液速度，OLED 屏顯示檢測結(jié)果。如果輸液速度超過了預設的輸液速度上限，進行聲光報警；如果沒有超過，則持續(xù)檢測，直至輸液結(jié)束。當需要設置輸液預警時間，則通過按鍵或手機APP 進行設置，時間到后進行聲光報警，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的輸液報警器相比，在不改變現(xiàn)有輸液方式的基礎上，為患者和護士輸液提供了方便，大大提高了醫(yī)院醫(yī)護人員的工作效率，降低了因點滴輸液造成的醫(yī)療事故率。由于條件有限，該系統(tǒng)尚未得到醫(yī)院試點使用，實際使用效果有待探究。