基于STM32智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

，，，

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

目前，大多數(shù)國(guó)內(nèi)醫(yī)院仍然依靠人工監(jiān)督輸液狀態(tài)，人工監(jiān)督方式增加了醫(yī)護(hù)工作人員的工作量。僅在ICU病房才使用全智能的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，而且這些全智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)基本采用進(jìn)口的[1-3]。由于進(jìn)口的全智能輸液監(jiān)控產(chǎn)品非常昂貴，普通醫(yī)院無(wú)法承擔(dān)大筆費(fèi)用支出，這給國(guó)內(nèi)醫(yī)院臨床醫(yī)療點(diǎn)滴監(jiān)控智能化系統(tǒng)管理帶來(lái)了較大困難[4-5]。針對(duì)當(dāng)前醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文主要介紹一種基于嵌入式STM 32智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)(上位機(jī))，通過(guò)無(wú)線WIFI模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。下位機(jī)的主控單元和上位機(jī)的總站監(jiān)控器采用嵌入式STM32F103X單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)采集和處理各種信號(hào)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)采用C#語(yǔ)言開發(fā)，醫(yī)護(hù)工作人員通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)房間的下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和管理。同時(shí)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)輸液監(jiān)控、聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程斷液和個(gè)人信息查詢等功能的前提下，盡量減少產(chǎn)品成本、節(jié)省人力資源、提高輸液管理的工作效率，來(lái)滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)和社會(huì)的需求。

國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)公布的數(shù)據(jù)顯示，到2020年，我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬(wàn)km。根據(jù)目前我國(guó)政府每年在鐵路建設(shè)方面的總投資額約8 000億元測(cè)算，從2016年到2020年，我國(guó)將投入超過(guò)4萬(wàn)億元用于鐵路建設(shè)。因此，要完成2020年內(nèi)鐵路建設(shè)的規(guī)劃任務(wù)，融資缺口巨大。民間資本進(jìn)入鐵路雖然能在一定程度上緩解國(guó)家財(cái)政壓力，但由于鐵路行業(yè)政企分離時(shí)間較短，在行車調(diào)度、產(chǎn)權(quán)界定、運(yùn)價(jià)管制等方面的政策法規(guī)尚不完善，給民間資本的進(jìn)入制造了障礙。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)從功能結(jié)構(gòu)上主要由智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置以及上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)三部分組成。圖1(a)、(b)分別給出了智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的系統(tǒng)功能組成框圖。

圖1 智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))通過(guò)按鍵設(shè)定點(diǎn)滴的流速，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用紅外發(fā)射接收裝置來(lái)檢測(cè)點(diǎn)滴的實(shí)時(shí)流速，當(dāng)點(diǎn)滴的設(shè)定流速與實(shí)測(cè)流速有較大偏差時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)將通過(guò)步進(jìn)電機(jī)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)到設(shè)定的流速。智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)還實(shí)時(shí)監(jiān)控輸液瓶的液位，當(dāng)液位低于警戒線時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)聲光報(bào)警，同時(shí)會(huì)向上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出信號(hào)，提醒醫(yī)務(wù)工作人員及時(shí)更換輸液瓶，并在上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上顯示地點(diǎn)。 同時(shí)醫(yī)務(wù)工作人員可以通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出斷液指令，控制步進(jìn)電機(jī)裝置關(guān)閉輸液。當(dāng)病人有突發(fā)情況時(shí)，也可以手動(dòng)關(guān)閉輸液并按下報(bào)警按鈕通知醫(yī)護(hù)人員前來(lái)處理。

各個(gè)房間的智能輸液監(jiān)控裝置通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與總站監(jiān)控器的數(shù)據(jù)通信，總站監(jiān)控器通過(guò)USB接口與PC上位機(jī)連接，采用USB適配器PDIUSBD12使得PC上位機(jī)具有USB接口通信功能。PC上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)由C#開發(fā)的實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成，通過(guò)實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)與智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信，同時(shí)對(duì)多個(gè)房間的下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和管理。

在項(xiàng)目水資源論證階段，對(duì)項(xiàng)目區(qū)實(shí)行嚴(yán)格的水資源論證審批制度，項(xiàng)目規(guī)模和布局以取水總量控制指標(biāo)為指導(dǎo)，項(xiàng)目取水不得突破國(guó)家下達(dá)的地表水和地下水取水總量控制指標(biāo)，對(duì)于已達(dá)到或超過(guò)控制指標(biāo)的地區(qū)，不得新增取水，對(duì)于接近控制指標(biāo)的地區(qū)，限制新增取水。地下水超采區(qū)內(nèi)不得新增取用地下水，生態(tài)脆弱區(qū)限制地下水開采，防止出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

輸液瓶液位監(jiān)測(cè)原理相同，當(dāng)液位降到警戒線以下時(shí)，紅外光由被遮擋變?yōu)橥耆丈涞郊t外接收裝置，TFMS5380的3腳產(chǎn)生電壓跳變, 通過(guò)單片機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)會(huì)向上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出信號(hào)，提醒醫(yī)務(wù)工作人員及時(shí)更換輸液瓶，并在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上顯示地點(diǎn)。

圖2 下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 輸液流速和液位監(jiān)測(cè)電路

通過(guò)圖7可以看出該豎井施工模擬結(jié)果中的井壁圍巖沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū)，根據(jù)莫爾-庫(kù)侖材料屈服準(zhǔn)則可知，該豎井初支結(jié)構(gòu)沒(méi)有出現(xiàn)屈服情況，存在足夠的安全儲(chǔ)備，再一次說(shuō)明該初支結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

圖3 輸液滴速檢測(cè)電路

智能輸液監(jiān)控裝置(下位機(jī))主要由主控單元、流速檢測(cè)電路、液位監(jiān)測(cè)電路、步進(jìn)電機(jī)裝置、聲光報(bào)警、無(wú)線傳輸模塊、按鍵電路、顯示電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。上位機(jī)的硬件電路主要由PC機(jī)、總站監(jiān)控器、USB適配器和無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成。其中下位機(jī)的主控單元和上位機(jī)的總站監(jiān)控器采用STM32F103X單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)采集和處理各個(gè)信號(hào)。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

輸液流速的控制和輸液關(guān)閉控制主要由步進(jìn)電機(jī)裝置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要工作原理是以STM32F103X單片機(jī)作為控制芯片，根據(jù)按鍵電路輸入的流速設(shè)定值送到單片機(jī)，單片機(jī)將設(shè)定流速與實(shí)測(cè)的流速進(jìn)行比較，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、繼續(xù)和暫停5種工作狀態(tài)，最終監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)到設(shè)定的流速。該系統(tǒng)由按鍵電路、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和步進(jìn)電機(jī)裝置組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用SGS公司的L298N，其內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46 V、2A以下的電機(jī)。圖4給出了L298N內(nèi)部H橋驅(qū)動(dòng)電路的工作原理圖。同一側(cè)的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)T1、T4導(dǎo)通， T2、T3截止時(shí)，電流流過(guò)T1，由電機(jī)正極流入電機(jī)，再經(jīng)由T4流入，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)T2、T3導(dǎo)通， T1、T4截止時(shí)，電流由電機(jī)負(fù)極流入電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)T1和T3或T2和T4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)(剎車)狀態(tài)[7]。

考慮到本系統(tǒng)是作為醫(yī)療用途，設(shè)計(jì)中的電子元件不能直接與輸液瓶?jī)?nèi)的液體接觸，所以采用紅外發(fā)射接收裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)滴的流速測(cè)量，圖3給出了輸液流速檢測(cè)電路。把紅外發(fā)光二極管和紅外接收裝置TFMS5380分別放置于滴斗兩側(cè)，液滴從兩管之間通過(guò)。紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)無(wú)液滴滴下時(shí)，TFMS 5380中的光電管收到的光強(qiáng)較強(qiáng)，輸出較強(qiáng)的光電流，TFMS5380的3腳輸出低電平，送給STM32F 103X單片機(jī)的P1.0口；當(dāng)有液滴滴下時(shí)，下落的液滴對(duì)紅外光有較強(qiáng)的漫反射、吸收及一定的發(fā)散作用，TFMS5380中的光電管收到的光強(qiáng)較弱，輸出較弱的光電流，TFMS5380的3腳輸出高電平，送給STM32F103X單片機(jī)的P1.0口。STM32F103X單片機(jī)采用相關(guān)算法計(jì)算出每秒流過(guò)的液滴量，最后通過(guò)WIFI無(wú)線模塊進(jìn)行通訊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中[6]。

圖4 L298N H橋驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖

2.3 無(wú)線傳輸模塊

當(dāng)輸液瓶液位降到警戒線以下時(shí)，紅外光由被遮擋變?yōu)橥耆丈涞郊t外接收裝置，TFMS5380的3腳產(chǎn)生電壓跳變，跳變信號(hào)送入下位機(jī)的STM 32F103X單片機(jī)，單片機(jī) P2. 3口輸出高電平，送至聲光報(bào)警電路。聲光報(bào)警電路中NE555工作輸出高電平，使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，電路原理如圖6所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為智能輸液監(jiān)控裝置部分和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)部分。智能輸液監(jiān)控裝置部分采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，PC上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)由C#語(yǔ)言開發(fā)。

圖5 ESP8266WIFI模塊應(yīng)用電路

2.4 聲光報(bào)警電路

智能輸液監(jiān)控裝置將采集到的實(shí)測(cè)流速、設(shè)定流速、輸液瓶液位情況、緊急報(bào)警等信息通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送到上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)上， 醫(yī)務(wù)工作人員通過(guò)觀察這些數(shù)據(jù)就可以了解每個(gè)病人輸液的信息。同時(shí)醫(yī)務(wù)工作人員發(fā)出斷液指令，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊送到下位機(jī)的STM 32F103X單片機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)裝置關(guān)閉輸液。本系統(tǒng)選用兩塊ESP8266無(wú)線WIFI模塊，一塊與下位機(jī)的STM32 F103X單片機(jī)的串口連接作為Client端，另外一塊與總站監(jiān)控器的串口連接作為Server端，從而實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。ESP8266具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸功能，其支持softAP 模式、station模式和兩者共存模式，利用ESP 8266可以靈活地實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即可以?shí)現(xiàn)一個(gè)Server端同時(shí)監(jiān)控多個(gè)Client端，實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的通訊。圖5給出了ESP8266無(wú)線WIFI模塊應(yīng)用電路。

圖6 聲光報(bào)警電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

興趣是最好的老師，也是學(xué)習(xí)的原動(dòng)力。概率統(tǒng)計(jì)來(lái)源于實(shí)際生活，其本身也是一門極具有趣味性的科學(xué)，有著大量的充滿趣味性的，貼近我們的實(shí)際生活的例子，如果教師在授課過(guò)程中多多的講解這樣的例子，必然能提高學(xué)生們學(xué)習(xí)的興趣，增加他們的求知欲。例如在講授隨機(jī)變量的期望時(shí)我們可以引入如下例子：有一個(gè)擺地?cái)偟娜四昧?個(gè)白的，8個(gè)黑的圍棋子，放入一個(gè)袋子里。說(shuō)：“凡愿摸彩者，須交 5元錢的手續(xù)費(fèi)，然后一次從袋中摸出5個(gè)棋子。攤主按照地面鋪著的一張”模子中彩表“給彩”。如下表：

智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和通信，其中包括流速設(shè)定、流速檢測(cè)、輸液瓶液位監(jiān)測(cè)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、顯示和報(bào)警等功能。系統(tǒng)在完成初始化程序后，開始查詢鍵盤輸入狀態(tài)，檢測(cè)輸液流速并調(diào)用流速檢測(cè)子程序，并實(shí)現(xiàn)流速顯示；同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)流速與設(shè)定流速的偏差計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)動(dòng)距離實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流速?？刂栖浖捎弥袛嗵幚矸绞?，每當(dāng)液滴通過(guò)，則觸發(fā)中斷。在中斷處理程序中，進(jìn)行流速計(jì)算并更新顯示，并判斷輸液液位是否低于警戒線以下，如果低于則啟動(dòng)聲光報(bào)警。下位機(jī)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 下位機(jī)主程序流程圖

實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控系統(tǒng)的管理界面主要由輸液流速監(jiān)控區(qū)、剩余容量監(jiān)控區(qū)、當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)值(如串口端口、波特率、輸液瓶容量、WIFI連接狀態(tài))、斷液按鈕、個(gè)人信息、串口參數(shù)設(shè)定、液瓶容量設(shè)定和程序運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等模塊組成。其中輸液流速監(jiān)控區(qū)顯示了設(shè)定流速值和實(shí)時(shí)流速值。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中錄入病人的個(gè)人信息，包括病因、用藥說(shuō)明及輸液計(jì)劃等，系統(tǒng)具有報(bào)警和信息查詢功能。此軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)友好、易操作。當(dāng)某床位輸液瓶液位降到警戒線以下時(shí)，系統(tǒng)彈出窗口提醒，并且聲音報(bào)警，同時(shí)顯示地址信息。醫(yī)務(wù)工作人員收到提示后，通過(guò)實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出斷液指令，并及時(shí)前往病房處理。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)管理界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)選用250 mL的生理鹽水輸液瓶進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定輸液流速50滴/分，每毫升生理鹽水為20滴，則設(shè)定流速為0.042 mL/s，而實(shí)測(cè)流速為0.0425 mL/s，如圖8所示。每20分鐘取一組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果顯示，輸液流速平均誤差為±1滴/分，液位報(bào)警響應(yīng)延時(shí)平均時(shí)間為3.5s，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式STM32智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)下位機(jī)智能輸液監(jiān)控裝置設(shè)置輸液的流速和實(shí)時(shí)檢測(cè)輸液的流速、輸液瓶的液位，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)到設(shè)定的流速。通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將信息及時(shí)傳送到上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，醫(yī)護(hù)工作人員通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)輸液監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)房間的下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和管理。同時(shí)該系統(tǒng)具有聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程斷液和個(gè)人信息查詢等功能。該智能醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)可方便實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)輸液、注射過(guò)程中集中監(jiān)控與管理，減輕醫(yī)護(hù)工作人員的工作量及監(jiān)護(hù)不當(dāng)造成的醫(yī)療事故。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該智能醫(yī)療系統(tǒng)具有操作方便、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳章進(jìn),姚真平,張建峰.基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015, 23(3) : 797-800.

[2]潘小琴,魏鑫,趙玉樂(lè),等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2014, 22(8):2409-2411.

[3]聶學(xué)方.液體點(diǎn)滴智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].成都:成都理工大學(xué),2010.

[4]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.

[5]康 冰,林智遠(yuǎn),汪 鵬,等.基于ZigBee的靜脈注射智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào), 2016,34 (2):186 - 191.

[6]孔雪卉,張慧芬,焦婷婷.一種智能輸液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2014,33 (6):73-77.

[7]丑 燦,許建明.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J].電子世界,2013(4): 56.