基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 剛，凌 強(qiáng)，徐 駿，李博倫，李 峰，王 嵩

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027)

基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉 剛，凌 強(qiáng)，徐 駿，李博倫，李 峰，王 嵩

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027)

為實(shí)現(xiàn)靜脈輸液的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，研制了一套以STM32為核心的輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有液滴檢測(cè)、液滴速度顯示與控制、余液顯示、無線通信和聲光報(bào)警等功能。系統(tǒng)采用紅外對(duì)管檢測(cè)莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況，用步進(jìn)電機(jī)及配套傳動(dòng)裝置控制液滴流速，用OLED顯示屏顯示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。若發(fā)生異常情況，利用蜂鳴器和LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時(shí)處理。該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

輸液監(jiān)控；STM32；無線通信；步進(jìn)電機(jī)

0 引言

靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中最常用的輔助醫(yī)療方法之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的住院患者接受靜脈輸液治療[1]。在患者進(jìn)行輸液治療的過程中，醫(yī)護(hù)人員會(huì)根據(jù)藥液和患者病情選擇適宜的輸液速度。目前，大部分醫(yī)院仍然依據(jù)醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)通過人工調(diào)整輸液管的流速調(diào)節(jié)器來控制輸液速度，這具有很大的不確定性。同時(shí)，患者、陪侍或醫(yī)護(hù)人員需要監(jiān)視藥液余量情況，這增加了護(hù)理人員的工作強(qiáng)度和意外情況發(fā)生的可能。

本文研制了一套基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)來替代人工監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)采用紅外對(duì)管檢測(cè)莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況，用步進(jìn)電機(jī)及配套傳動(dòng)裝置控制液滴速度，用OLED顯示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無線通信。通過觀察上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件，醫(yī)護(hù)人員可實(shí)時(shí)掌握多個(gè)病人的輸液進(jìn)程。若發(fā)生異常情況，蜂鳴器和LED燈會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時(shí)處理。該系統(tǒng)不但提高了患者輸液時(shí)的舒適程度，提高了靜脈輸液的治療效果，還降低了護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作壓力。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主要包括紅外液滴檢測(cè)模塊、按鍵模塊、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、輸液關(guān)斷傳動(dòng)裝置、無線通信模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊等。該系統(tǒng)采用性能優(yōu)越、功耗低的32 位微處理器STM32F103ZET6作為控制核心。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

1.2 工作原理

系統(tǒng)的工作原理：初始狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制傳動(dòng)裝置擠壓關(guān)斷輸液管，此時(shí)液滴無法滴落。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)藥液屬性和患者情況設(shè)定輸液速度，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪組帶動(dòng)傳動(dòng)裝置的絲桿-螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)裝置逐漸減緩對(duì)輸液管的擠壓，因此，輸液管內(nèi)越來越多的藥液通過擠壓處。液滴檢測(cè)模塊的紅外對(duì)管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液滴滴落情況，檢測(cè)電路將紅外對(duì)管監(jiān)測(cè)到的液滴滴落情況轉(zhuǎn)換為高低電位傳送給微處理器處理。微處理器將高低電位情況轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)速度并設(shè)定速度比較，當(dāng)實(shí)時(shí)速度等于設(shè)定速度時(shí)，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)相連的傳動(dòng)裝置也停止運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)輸液管擠壓處的藥液流量恒定，輸液速度不再變化。微處理器將輸液速度、藥液剩余量以及預(yù)測(cè)輸液結(jié)束時(shí)間等數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳送給PC機(jī)，醫(yī)護(hù)人員觀察監(jiān)控軟件管理界面的顯示情況進(jìn)行處理?；颊咄ㄟ^OLED顯示模塊觀察輸液速度和預(yù)測(cè)輸液結(jié)束時(shí)間等情況。如若需要，患者可根據(jù)自身情況通過按鍵向上或向下調(diào)整輸液速度。微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來增加或降低輸液速度。當(dāng)輸液剩余量低于設(shè)定值時(shí)，微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來關(guān)斷輸液，通過LED燈閃爍和蜂鳴模塊報(bào)警來提醒患者，監(jiān)控管理軟件通過高亮顯示剩余輸液量來提示醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)組成可知，系統(tǒng)包含了較多的硬件單元，本文重點(diǎn)介紹紅外液滴檢測(cè)、輸液關(guān)斷、無線通信三個(gè)核心單元。

2.1 紅外液滴檢測(cè)

液滴信號(hào)的精確采集是計(jì)算滴速的前提，信號(hào)采集既要確保不會(huì)漏檢，又要符合衛(wèi)生需要，不能接觸藥液。為此，采用紅外光電傳感技術(shù)，將紅外對(duì)管的發(fā)射管和接收管分別安裝在莫菲氏滴管的兩側(cè)[2]。紅外對(duì)管供電正常工作時(shí)，發(fā)射管發(fā)射紅外光，紅外光穿過莫菲氏滴管照射到接收管，接收管將接到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流。若莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時(shí)，紅外光光強(qiáng)損失小，接收管轉(zhuǎn)換的電流較強(qiáng)；莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時(shí)，紅外光光強(qiáng)損失大，接收管轉(zhuǎn)換的電流較弱。利用此原理，設(shè)計(jì)如圖2所示的電路，將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，從而將藥液滴落情況轉(zhuǎn)換為電壓的變化情況。

圖2 紅外液滴檢測(cè)電路圖

如圖2所示，在5 V電源系統(tǒng)供電的情況下，紅外發(fā)光二極管的發(fā)光頻率由音頻譯碼器LM567決定。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時(shí)，接收管能接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光，從而產(chǎn)生較強(qiáng)電流。電流足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通，三極管所在支路產(chǎn)生與二極管所在支路頻率相同的電流。經(jīng)過雙運(yùn)算放大器LM358的放大和反相，音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號(hào)與中心振蕩信號(hào)(圖中輸出信號(hào))一致，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理，8腳輸出為0 V低電平。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時(shí)，接收管接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的部分光，從而產(chǎn)生較弱的電流。電流不足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通。雙運(yùn)算放大器LM358的U1輸入端輸入信號(hào)與發(fā)光二極管的電流頻率不一致，故而音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號(hào)與中心振蕩信號(hào)不一致，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理，8腳輸出為5 V高電平。

當(dāng)藥液不斷滴落時(shí)，音頻譯碼器LM567的8腳輸出端口形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形波正向脈沖。低電平表示無液滴滴落，高電平表示有液滴滴落。將LM567的8腳輸出端連接到STM32的I/O端口上，利用定時(shí)器的輸入捕獲功能可測(cè)量出兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔，也就是兩個(gè)液滴之間的時(shí)間間隔，從而計(jì)算出液滴滴落速度。

2.2 輸液關(guān)斷

系統(tǒng)采用Φ15mm步進(jìn)電機(jī)和絲桿-螺母機(jī)構(gòu)作為輸液關(guān)斷裝置。STM32微處理器通過L293D驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)相連的齒輪組也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。絲桿-螺母機(jī)構(gòu)固定在齒輪組最后一級(jí)的齒輪上。固定螺母的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母就會(huì)在絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下軸向移動(dòng)。輸液關(guān)斷裝置正是利用螺母的軸向移動(dòng)來擠壓輸液管，達(dá)到控制輸液速度的目的。

由于STM32的負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以有必要在STM32和步進(jìn)電機(jī)之間加上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，增加單片機(jī)帶負(fù)載能力。系統(tǒng)采用L293D作為驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片完全能滿足驅(qū)動(dòng)需求。

步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，由電脈沖信號(hào)即可轉(zhuǎn)變成角位移。由于選用的Φ15mm步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī)，故STM32須輸出四路脈沖信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相位角。四路脈沖信號(hào)要按照步進(jìn)電機(jī)的工作原理輸入，本系統(tǒng)采用四相四拍脈沖輸入，輸入波形如圖3所示。

圖3 四相四拍脈沖波形

2.3 無線通信

系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)間的信息交換方式采用串行通信，通信的轉(zhuǎn)換方式采用RS232全雙工配置。下位機(jī)STM32的異步串行接口與RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路之間通過通信接口芯片MAX3232轉(zhuǎn)換信號(hào)電平，再經(jīng)過USR-WIFI232芯片實(shí)現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，上位機(jī)安裝WiFi數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，從而實(shí)現(xiàn)無線通信[3]。上位機(jī)可收發(fā)多個(gè)下位機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化。無線通信單元的外部電路連接如圖4所示。

圖4 無線通信單元的外部電路連接

上位機(jī)主動(dòng)查詢下位機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，若一次收不到應(yīng)答，則再發(fā)送一次查詢信號(hào)；若連續(xù)三次收不到應(yīng)答，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，自動(dòng)報(bào)警。如果系統(tǒng)給出應(yīng)答，則雙方按照規(guī)定的通信協(xié)議進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。 該無線通信單元安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)，室內(nèi)通信傳輸距離可達(dá)50～60 m。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分可分為上位機(jī)監(jiān)控管理軟件和嵌入式程序兩部分。其中，嵌入式程序包括主程序、滴速測(cè)量、速度控制、按鍵設(shè)置、OLED顯示、無線通信、報(bào)警等程序單元。本文只介紹上位機(jī)監(jiān)控管理軟件、滴速測(cè)量子程序和無線通信子程序三個(gè)重點(diǎn)模塊。

3.1 上位機(jī)監(jiān)控管理軟件

上位機(jī)監(jiān)控管理軟件用于幫助醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的輸液情況，通過設(shè)定和修改相關(guān)參數(shù)改變輸液進(jìn)程。

上位機(jī)監(jiān)控管理軟件是在VS2013平臺(tái)下用C#語(yǔ)言編寫而成，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。B/S模式的前臺(tái)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序由三部分組成：系統(tǒng)登錄界面程序、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對(duì)登錄的用戶采取權(quán)限處理，權(quán)限不同登錄的界面不同，進(jìn)而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺(tái)服務(wù)程序，通過Socket通信與WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過SQL語(yǔ)句把從服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工，生成可視化內(nèi)容供醫(yī)護(hù)人員參考，進(jìn)而做出相應(yīng)決策。

3.2 滴速測(cè)量子程序

由前述可知，液滴檢測(cè)電路將液滴滴落的情況轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，低電平代表無液滴滴落，高電平代表捕獲到液滴滴落，液滴不停地滴落形成PWM波形。利用STM32的定時(shí)器可實(shí)現(xiàn)PWM的周期測(cè)量。簡(jiǎn)單地說就是，定時(shí)器檢測(cè)到上升沿時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到下一次上升沿時(shí)，將當(dāng)前計(jì)數(shù)值存放到對(duì)應(yīng)通道的捕獲/比較寄存器中，完成PWM的周期測(cè)量。

定時(shí)器測(cè)定的周期為兩個(gè)液滴滴落的時(shí)間間隔，記為T，選取計(jì)時(shí)精度為1 ms。為了便于觀察，通常記錄滴速的單位為：滴/min，因此計(jì)算滴速的公式為：V=60*1000/T。由于液滴滴落情況易受環(huán)境影響，波動(dòng)較大，為提高滴速測(cè)量精度，采用連續(xù)測(cè)量3個(gè)液滴取平均速度的方法。實(shí)踐表明，此種測(cè)量方案完全能夠達(dá)到測(cè)量精度要求。滴速測(cè)量子程序流程圖如圖6所示。

圖6 滴速測(cè)量子程序流程圖

3.3 無線通信子程序

硬件搭建完成后，首先進(jìn)行初始化。初始化的主要內(nèi)容是設(shè)置波特率和服務(wù)器IP地址，系統(tǒng)的波特率設(shè)置為57 600 b/s，服務(wù)器IP地址為：10.10.100.254。初始化完成后，點(diǎn)擊建立TCP連接，USR-WIFI232芯片進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收。

當(dāng)USR-WIFI232芯片接收到程序設(shè)置的相應(yīng)頻段的載波信號(hào)且接收到信號(hào)的地址信號(hào)與程序設(shè)置吻合時(shí)，芯片配對(duì)成功。設(shè)置芯片的工作模式為接收，上位機(jī)通過WiFi網(wǎng)絡(luò)，以設(shè)定的波特率把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32內(nèi)。隨后，STM32通過 RS232串口將反饋信號(hào)傳輸至芯片，更改芯片工作模式為發(fā)送，反饋信號(hào)再通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控管理軟件，系統(tǒng)完成一次循環(huán)[4]。重新設(shè)置芯片的工作模式為接收，重復(fù)以上過程，系統(tǒng)開始新的循環(huán)，接收新數(shù)據(jù)。無線通信子程序流程圖如圖7所示。

圖7 無線通信子程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入地分析了基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)能夠精確地測(cè)量和調(diào)整滴速。系統(tǒng)具有無線通信功能，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能、一機(jī)多用，便于醫(yī)護(hù)人員集中管理，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)安全、可靠、精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 劉枝國(guó)，劉世華. 靜脈輸液質(zhì)量與風(fēng)險(xiǎn)處理預(yù)案[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2] 陳宇，王璽. 基于光電技術(shù)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29 (5)：1149-1154.

[3] 馮爽，蔣念平. 基于STM32的無線數(shù)據(jù)傳輸綜合應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2012，21 (9)：228-231.

[4] 楊光偉，錢志余，李韙韜，等. 一種新型智能輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究，2011， 30(1)：1-5.

Design and implementation of transfusion monitoring systems based on STM32

Liu Gang， Ling Qiang, Xu Jun, Li Bolun, Li Feng, Wang Song

(Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

In order to realize intelligent and networked intravenous transfusion, a monitoring system based on STM32 is developed. The system can perform liquid drop detection, liquid drop speed display and control, residual liquid display, wireless communication, sound and light alarm, etc. In this system, infrared tube is used to detect whether the drop in the Murphy tube is falling, step motor and its auxiliary drive devices are used to control liquid drop speed, the liquid drop speed and the residual liquid volume are displayed by OLED, wireless communication is realized by WIFI232. In the abnormal case, the alarming of buzzer and LED lights will alert to catch the attention of nurses. This system has great application potentials.

transfusion monitoring; STM32; wireless communication; step motor

國(guó)家自然科學(xué)基金(61273112)

TP23

A

1674-7720(2016)01-0091-04

劉剛，凌強(qiáng)，徐駿，等.基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(1)：91-94.

2015-09-01)

劉剛(1987-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

凌強(qiáng)(1975-)，通信作者，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制、嵌入式系統(tǒng)。E-mail: qling@ustc.edu.cn。

徐駿(1977-)，男，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。