基于ZigBee與PID算法的多功能靜脈輸液控制器

卓明鋒，王鑫凱，殷惠莉，邱澤源，代 芬

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

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基于ZigBee與PID算法的多功能靜脈輸液控制器

卓明鋒，王鑫凱，殷惠莉，邱澤源，代 芬

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)的多功能靜脈輸液控制器，控制器實(shí)現(xiàn)靜脈輸液過(guò)程的輸液時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能加熱控溫，并與上位機(jī)進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)通信。加熱模塊通過(guò)獨(dú)立按鍵可設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并用LCD1602顯示設(shè)定溫度值。在運(yùn)行過(guò)程中DS18B2采樣到溫度，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用LCD1602進(jìn)行顯示，調(diào)用PID算法，確定PWM波的占空比，確定加熱的功率，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。紅外對(duì)管計(jì)時(shí)模塊通過(guò)對(duì)液滴的采樣獲得速度，進(jìn)而計(jì)算出所需輸液時(shí)間并且在LCD1602上顯示，顯示過(guò)程中可通過(guò)獨(dú)立按鍵重置速度和輸液所需時(shí)間。應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行環(huán)境是Visual Studio 2015，由VC++的MFC編程得到，無(wú)線通信由ZigBee實(shí)現(xiàn)。

輸液加熱；PID算法；紅外對(duì)管；MFC；ZigBee

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，醫(yī)療問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，而作為醫(yī)療上必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)—輸液，也就對(duì)于人們的重要性也日趨重要。在中國(guó)的冬天，特別是北方地區(qū)，低溫度的液體輸入到病人的血管中，不僅會(huì)讓病人感覺(jué)到不適，還有可能加重病人的病情；病人和醫(yī)護(hù)人員因不能及時(shí)獲取輸液時(shí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，浪費(fèi)了廣大病人寶貴的時(shí)間，也給醫(yī)護(hù)人員的工作帶來(lái)了很大的困擾。為了向病人及醫(yī)護(hù)人員提供輸液實(shí)時(shí)狀態(tài)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)多功能靜脈輸液控制器，它通過(guò)采集輸液信息來(lái)算出輸液剩余時(shí)間，并且可以顯示輸液液體溫度和輸液剩余時(shí)間，自動(dòng)提示病人和護(hù)士，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控輸液的狀態(tài)并且把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，還可以調(diào)控輸液的液體溫度并保持溫度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單個(gè)控制器的系統(tǒng)[1]框圖如圖1所示，主控制器的單片機(jī)[2]采用了STC89C52RC。對(duì)輸液信息的采集，采用了紅外對(duì)管測(cè)出輸液時(shí)液體的滴速和矩陣鍵盤輸入液體體積。加熱溫控模塊采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，獨(dú)立按鍵輸入設(shè)定溫度，調(diào)用PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，通過(guò)DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)顯示溫度在LCD1602上，設(shè)定溫度上下限以保證系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)[3]穩(wěn)定安全。

圖1 單控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖2所示，利用ZigBee的無(wú)線數(shù)據(jù)透?jìng)饕约吧衔粰C(jī)應(yīng)用程序的控制，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)多個(gè)病人的智能控制、智能提示、智能呼叫。整個(gè)系統(tǒng)分為加熱溫控模塊、上位機(jī)通信模塊、計(jì)時(shí)報(bào)警模塊[4]。

圖2 單控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 加熱溫控模塊的PID算法

在過(guò)程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象——“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器[5]是一種最優(yōu)控制。

比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例，反映系統(tǒng)的基本(當(dāng)前)偏差e(t)，系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差，但過(guò)大的比例使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；積分，反映系統(tǒng)的累計(jì)偏差，使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度；微分，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率e(t)-e(t-1)，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除，因此可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是微分對(duì)噪聲干擾有放大作用，加強(qiáng)微分對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。積分和微分都不能單獨(dú)起作用，必須與比例控制配合。

PID增量式算法如下：

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

(1)

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

進(jìn)一步可以改寫成:

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(3)

采用Kp=10,Kie=10,Kd=6, 映射在單片機(jī)就是當(dāng)實(shí)時(shí)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，控制繼電器斷開(kāi)電路，系統(tǒng)停止加熱，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度小于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，控制繼電器接通電路，系統(tǒng)開(kāi)始加熱。當(dāng)預(yù)設(shè)溫度和實(shí)時(shí)溫度有3℃及以上的溫度差時(shí)，系統(tǒng)全力加熱，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度和實(shí)時(shí)溫度的溫度差小于3℃時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入PID算法[4]以保持溫度在某一特定值。

1.3 上位機(jī)無(wú)線通信模塊數(shù)據(jù)的傳送與接收

1.3.1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸原理

數(shù)據(jù)可以從上位機(jī)通過(guò)串口傳給ZigBee主管,ZigBee主管把數(shù)據(jù)發(fā)給單片機(jī)上的ZigBee子管，ZigBee子管通過(guò)單片機(jī)的TXD/RXD傳給單片機(jī)或者把數(shù)據(jù)傳出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與單片機(jī)無(wú)線通信的要求。反過(guò)來(lái)，數(shù)據(jù)也可以從單片機(jī)傳到ZigBee子管，再到ZigBee主管，最后送達(dá)上位機(jī)。

1.3.2 廣播模式的ZigBee實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的無(wú)線通信

基于本設(shè)計(jì)，采用了三個(gè)ZigBee，一個(gè)作為主管，其他兩個(gè)為子管(子管數(shù)量可根據(jù)輸液病人數(shù)量所定)。

廣播模式中，每個(gè)ZigBee都能無(wú)差別地接收彼此的數(shù)據(jù)，但是同一時(shí)刻每個(gè)ZigBee只能接收一個(gè)ZigBee的信息，即上位機(jī)每一時(shí)刻只能接收一個(gè)下位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致了三個(gè)問(wèn)題：當(dāng)上位機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)給特定的下位機(jī)時(shí)，其他不相干的下位機(jī)也能收到信息；當(dāng)下位機(jī)實(shí)時(shí)給上位機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，其他下位機(jī)也能收到此下位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)；上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示多個(gè)病人的輸液剩余情況遇到挑戰(zhàn)。

針對(duì)第一個(gè)和第二個(gè)問(wèn)題，采取了特定指令原則。也就是說(shuō)每個(gè)子系統(tǒng)都有特定的指令，只有指令對(duì)了，才采取動(dòng)作，否則不做任何動(dòng)作。只有當(dāng)上位機(jī)發(fā)送特定指令時(shí)，才能讓下位機(jī)的單片機(jī)工作。反之，當(dāng)下位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)被其他下位機(jī)接收到，其他下位機(jī)將把這些數(shù)據(jù)當(dāng)做“亂碼”處理，亦即不做任何動(dòng)作。

針對(duì)第三個(gè)問(wèn)題，采取循環(huán)差錯(cuò)發(fā)送原則。每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送周期，并且不盡相同。本設(shè)計(jì)，采用子系統(tǒng)1每4 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)給上位機(jī)，子系統(tǒng)2每5 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)給上位機(jī)，并且計(jì)時(shí)起點(diǎn)相同。為做到計(jì)時(shí)起點(diǎn)相同，運(yùn)用廣播模式，在上位機(jī)發(fā)送一個(gè)開(kāi)始指令，所有下位機(jī)立即進(jìn)入工作狀態(tài)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

1.4 計(jì)時(shí)報(bào)警模塊的輸液剩余時(shí)間

紅外對(duì)管測(cè)量液位，將紅外對(duì)管分別放置于滴管兩側(cè)，當(dāng)有液滴落下時(shí)會(huì)阻礙和折射紅外光使接受管從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平，用單片機(jī)的外部中斷0記錄這個(gè)電平翻轉(zhuǎn)，用單片機(jī)的定時(shí)器0計(jì)算20滴液體滴落的時(shí)間，即外部中斷0反轉(zhuǎn)20次所需的時(shí)間。

液體的滴落速度=滴20滴液體所需的時(shí)間/20，即:

v1=T1/20

(4)

根據(jù)前面輸入的液體體積，輸液所需時(shí)間=輸入的液體體積/液體的滴落速度，即:

T=V/v1

(5)

2 程序的設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

系統(tǒng)的主程序[6]流程圖如圖3所示，首先在矩陣鍵盤輸入液體體積，按下矩陣鍵盤的S16確定輸入體積，然后控制器自動(dòng)對(duì)滴下的20滴液體進(jìn)行采樣[7]，由定時(shí)器0計(jì)算出滴落20滴液體所需的時(shí)間，進(jìn)而算出輸液剩余時(shí)間，當(dāng)需要改變輸液的速度時(shí)，按下K1鍵即可重新對(duì)改變速度后的液體重新采樣。按下K2鍵即可向上位機(jī)發(fā)送求助信號(hào)。K3、K4鍵可對(duì)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。

圖3 系統(tǒng)的主程序流程圖

2.2 上位機(jī)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

2.2.1 預(yù)期上位機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的功能

上位機(jī)[8]將實(shí)現(xiàn)功能如下：

(1)實(shí)時(shí)接收下位機(jī)中多個(gè)病人的輸液情況數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

(2)當(dāng)下位機(jī)發(fā)出0K指令，在上位機(jī)的應(yīng)用程序會(huì)有指定信息(如病人a呼叫護(hù)士)出現(xiàn)在顯示框，并以響鈴方式提醒醫(yī)護(hù)人員。

(3)當(dāng)上位機(jī)接收到下位機(jī)發(fā)來(lái)的求助信息并聽(tīng)到響鈴方式的提醒后，在上位機(jī)發(fā)送指令，控制下位機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作(如在1602顯示屏上顯示coming字樣)，以提示病人，醫(yī)護(hù)人員收到求助信息并立即過(guò)來(lái)。

(4)當(dāng)病人的輸液剩余時(shí)間小于某個(gè)特定值時(shí)(如5 min)，單片機(jī)自動(dòng)發(fā)送特定指令(如“病人a輸液時(shí)間小于5 min”)，在下位機(jī)的蜂鳴器會(huì)自動(dòng)響，并以響鈴方式提醒護(hù)士，只有在上位機(jī)輸入特定指令，才能消除下位機(jī)蜂鳴器的響聲并以特定信號(hào)提醒病人(如在1602顯示屏上顯示coming字樣)，醫(yī)護(hù)人員立即過(guò)來(lái)。

2.2.2 實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程

采用VC++的MFC[9]的基于對(duì)話框的應(yīng)用程序模板，開(kāi)發(fā)及運(yùn)行的環(huán)境是Visual Studio 2015。

實(shí)現(xiàn)步驟如下：創(chuàng)建基于對(duì)話框的MFC應(yīng)用程序[10]→在對(duì)話框添加所需要的控件以及通信控件→在控件的函數(shù)內(nèi)編寫代碼以實(shí)現(xiàn)所需要的功能→編譯→運(yùn)行生成應(yīng)用程序→調(diào)試測(cè)試。

通過(guò)測(cè)試，做出的應(yīng)用程序完成了預(yù)期目標(biāo)所要實(shí)現(xiàn)所有的功能，并在此基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化了界面的操作，廣大用戶都能操作此界面。

3 系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性測(cè)試

(1)輸液時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)際時(shí)間采用秒表計(jì)時(shí)得到，沒(méi)改變輸液速度時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 未改變輸液速度時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)

在測(cè)試中如果按了K1鍵亦即改變了輸液速度時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 改變輸液速度時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)

從以上兩組數(shù)據(jù)可以算出，誤差的平均值為5.02%。

(2)輸液溫度加熱測(cè)試數(shù)據(jù)

在室溫20.5℃時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)如表3所示，液體真實(shí)溫度由數(shù)字溫度計(jì)所測(cè)得。

表3 室溫20.5℃時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)

在室溫26.2℃時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)如表4所示，液體真實(shí)溫度由數(shù)字溫度計(jì)所測(cè)得。

表4 室溫:26.2℃時(shí)所測(cè)的數(shù)據(jù)

(3)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

根據(jù)上面測(cè)試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)輸液剩余時(shí)間的計(jì)算還算比較準(zhǔn)確，平均誤差在5.02%，并且體積越大，誤差會(huì)越小。此外，系統(tǒng)還能在較低的室溫下穩(wěn)定工作，將輸液溫度加熱到25℃至39℃，加熱負(fù)載能夠穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)逐步加熱，安全性得到保證。由此可以得出下列結(jié)論：

(1)由系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出的輸液剩余時(shí)間已經(jīng)符合要求；

(2)自動(dòng)加熱到預(yù)設(shè)溫度，并可有按鍵控制設(shè)定加熱溫度；

(3)加熱范圍溫度25℃至39℃，誤差保持在±0.5℃；

(4)能精確地顯示實(shí)時(shí)溫度、預(yù)設(shè)溫度和輸液時(shí)間。

4 結(jié)論

目前市場(chǎng)上的同類設(shè)計(jì)大部分只能實(shí)現(xiàn)單一的通電加熱功能，即只能加熱到一個(gè)特定值，而帶有控制裝置的加熱裝置成本普遍較高。本設(shè)計(jì)采用了按鍵輸入和LCD實(shí)時(shí)顯示的方案，能夠自動(dòng)加熱到設(shè)定溫度值并保持恒溫，通過(guò)調(diào)用PID算法可以大大增強(qiáng)加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性，恒溫誤差可以控制在±0.5℃之內(nèi)，綜合其他功能，本方案成本更加低廉高效，操作也更加人性化和智能化。 在整個(gè)系統(tǒng)中，采用一臺(tái)上位機(jī)，通過(guò)應(yīng)用程序，可以同時(shí)智能控制多臺(tái)下位機(jī)。自成系統(tǒng)后，可以適用于廣大的大中小醫(yī)院診所的連接控制。在上位機(jī)的應(yīng)用程序中，按下開(kāi)始鍵，就可以實(shí)時(shí)顯示多個(gè)病人的輸液情況，并在輸液剩余時(shí)間小于某個(gè)特定值時(shí)，自動(dòng)智能提示醫(yī)護(hù)人員。在下位機(jī)上，設(shè)置了OK顯示按鍵，當(dāng)病人在輸液時(shí)間還沒(méi)到，又想呼叫醫(yī)護(hù)人員的時(shí)候，按下此鍵，就會(huì)自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送指令。此時(shí)，在單片機(jī)上的顯示屏?xí)@示“OK”字樣以提示按鍵成功，向上位機(jī)發(fā)送的指令會(huì)在上位機(jī)電腦顯示“X病人呼叫護(hù)士”字樣，并以響鈴方式提醒醫(yī)護(hù)人員。醫(yī)護(hù)人員看到此提示信息后，輸入相應(yīng)指令就可以相除單片機(jī)上顯示屏“OK”字樣，并立即在單片機(jī)顯示屏顯示“Coming”字樣，以提示病人醫(yī)護(hù)人員收到了病人的呼叫信息，并即將過(guò)來(lái)。

[1] 范立南，謝子殿.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程北京[M].北京：北京大學(xué)出版社,2006.

[2] 邊春元.C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 彭為，黃科，雷道仲.單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.

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[5] 黃友銳，曲立國(guó).PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

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[10] 周韌研，商斌.Visual C++串口通信開(kāi)發(fā)入門與編程實(shí)踐.北京：電子工業(yè)出版社,2009.

Multi-function intravenous infusion controller based onzigbee and PID algorithm

Zhuo Mingfeng, Wang Xinkai, Yin Huili, Qiu Zeyuan, Dai Fen

(College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

The multi-function intravenous infusion controller is designed based on STC89C52 MCU to realize the infusion time of the infusion process of real-time monitoring, intelligent heating and temperature control, and uninterrupted data communication with the host computer. The temperature value of heating module could be set by the independent button and be displayed by the LCD1602. During the running process temperature is sampled by DS18B2, then it is converted into digital and displayed by LCD1602. PID algorithm is called, and PWM wave of accounting cycle and the heating power are determined until it achieves constant temperature heating under the specified temperature. The speed of liquid droplets can be obtained by sampling in the infrared tube timing module , and then the required infusion time can be calculated and displayed by the LCD1602 .The speed and the time required for infusion can be reset by the independent button . Application is written by the MFC VC++ in the Visual Studio 2015 and the wireless communication is achieved by using the ZigBee.

infusion heating; PID algorithm; infrared tube; MFC; ZigBee

TN919.72; TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.023

卓明鋒，王鑫凱，殷惠莉，等.基于ZigBee與PID算法的多功能靜脈輸液控制器[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(14)：75-78.

2016-12-29)

卓明鋒(1995-),男，本科生，主要研究方向：無(wú)線通信與軟件開(kāi)發(fā)。

王鑫凱(1995-)，男，本科生，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制方面的研究。

殷惠莉(1975-)，通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：無(wú)線通信、機(jī)器視覺(jué)。E-mail：huiliyin@scau.edu.cn。