CC2530遠(yuǎn)程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 明，沈俊慧，朱其祥

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福建 福州 350001)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，大家對(duì)智能產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，智能醫(yī)療輸液監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。但目前而言，大部分還處于手動(dòng)的、普通的塑料產(chǎn)品，這遠(yuǎn)不能滿足需求，因此這是一個(gè)有較大醫(yī)用前景的技術(shù)。展望未來(lái)，醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加方便更加智能的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。就國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求而言，人們生活水平逐步提高，對(duì)生存環(huán)境質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，對(duì)醫(yī)療電器產(chǎn)品提出更高的要求。所以醫(yī)療輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

通過(guò)研究醫(yī)療輸液監(jiān)控過(guò)程，設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制輸液過(guò)程，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集人體體征信息的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病床管理的智能化、信息化和數(shù)字化，降低患者及患者家屬的精神負(fù)擔(dān)和憂慮，減輕護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高醫(yī)療單位管理質(zhì)量。

1 遠(yuǎn)程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)主要由輸液監(jiān)測(cè)器、多路輸液控制器、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、主控端和移動(dòng)終端等構(gòu)成。主要功能是監(jiān)測(cè)多路輸液器并能實(shí)現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)續(xù)瓶，遠(yuǎn)程采集人體體征，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)式終端(手機(jī)、平板電腦)實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。護(hù)士站或家庭護(hù)理人員不必長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)，隨身攜帶手機(jī)或平板可以自由到附近從事其他活動(dòng)，既降低護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)，又提高了工作效率。

圖1 遠(yuǎn)程智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the remote intelligent infusionmonitor system

2 系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件模塊主要包括輸液監(jiān)測(cè)器、多路輸液控制器、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、主控端和移動(dòng)終端等。其中輸液監(jiān)測(cè)器、多路輸液控制器和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心是采用CC2530單片機(jī)系統(tǒng)，主控端和移動(dòng)終端分別是基于現(xiàn)有的PC機(jī)和移動(dòng)終端設(shè)備 （手機(jī)、ipad等）的應(yīng)用。

2.1 CC2530模塊電路設(shè)計(jì)

控制電路和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均是以CC2530單片機(jī)為核心組成的控制電路。圖2是CC2530模塊電路原理圖，它包括CC2530單片機(jī)模塊、復(fù)位模塊、天線模塊、晶振模塊以及一些外圍低通濾波的電阻、電容和電感等。U4是CC2530芯片,為整個(gè)電路的核心單片機(jī)；SMA是2.4G天線座，其外圍的電容電感匹配很重要；Y1是32MHZ晶振，它讓CC2530正常工作，并產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率；Y2是32.768KHZ晶振，最主要使用在Sleep Timer和Watchdog Timer上，是為了減少芯片的功耗，在芯片睡眠時(shí)關(guān)閉內(nèi)部某些電路，并以極低的頻率工作。J4是復(fù)位電路，主要是用來(lái)復(fù)位CC2530用的。L1是磁珠，專用于抑制信號(hào)線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的能力。

圖2 CC2530模塊電路原理圖Figure 2 Circuit schematic of CC2530module

2.2 輸液監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

2.2.1 輸液監(jiān)測(cè)器工作原理及結(jié)構(gòu)

輸液監(jiān)測(cè)器的工作原理如圖3所示，由CC2530單片機(jī)控制電路和滴液監(jiān)測(cè)電路組成。輸液監(jiān)測(cè)器采用編碼后脈沖驅(qū)動(dòng)激發(fā)電路，將檢測(cè)到的脈沖整形放大，解碼后再與原編碼比較，以判斷滴液情況。此方法一方面，大幅減少激發(fā)電路通電時(shí)間，大大降低功耗；另一方面，通過(guò)解碼電路分析檢測(cè)到的脈沖序列，而不是僅僅檢測(cè)脈沖的形狀，來(lái)判斷滴液情況，大大提高可靠性。輸液監(jiān)測(cè)器還具有zigbee無(wú)線發(fā)送功能，所有控制及zigbee協(xié)議均是基于CC2530單片機(jī)系統(tǒng)完成。輸液監(jiān)測(cè)器實(shí)物如圖4所示。

圖3 輸液監(jiān)測(cè)器原理框圖Figure 3 Schematic diagram of infusion monitor

圖4 輸液監(jiān)測(cè)器實(shí)物圖Figure 4 Physical diagram of infusion monitor

2.2.2 滴液監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

滴液監(jiān)測(cè)電路由紅外對(duì)管信號(hào)采集電路和信號(hào)處理電路組成，如圖5所示。其中LED1是紅外發(fā)射管，LED2是光敏接收管，與限流電阻R1、分壓電阻R2構(gòu)成紅外對(duì)管信號(hào)采集電路。信號(hào)處理電路主要由比較器LM358完成，其中S1為可調(diào)電阻器，用來(lái)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓；R4和LL3構(gòu)成指示燈電路。

在無(wú)滴液落下時(shí)，發(fā)射管發(fā)射的紅外光直接被接收管接收，使得接收管的阻值變小，因此OUT電壓也就變小,此時(shí)LM358的2腳輸入電壓很小，當(dāng)LM358的2腳輸入電壓比LM358的3腳電壓低時(shí)，LM358的1腳將輸出高電平，此時(shí)指示熄滅；在有滴液落下時(shí)，發(fā)射的紅外光被阻擋，使得接收管的阻值變大，因此OUT電壓也就變大,此時(shí)LM358的2腳輸入電壓比較大，當(dāng)LM358的2腳輸入電壓比LM358的3腳電壓高時(shí)，LM358的1腳將輸出低電平，此時(shí)指示燈亮。

圖5 滴液監(jiān)測(cè)電路原理圖Figure 5 Schematic diagram of drip monitoring circuit

2.3 多路輸液控制器設(shè)計(jì)

多路輸液控制器原理：采用永磁式步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，帶動(dòng)如圖6截流裝置結(jié)構(gòu)，使其開(kāi)合達(dá)到精確位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液管的夾斷控制，再通過(guò)輸液檢測(cè)器的實(shí)時(shí)檢測(cè)，反饋點(diǎn)滴數(shù)據(jù)到主控端，主控端經(jīng)計(jì)算得到當(dāng)前流量，從而控制多路輸液器進(jìn)行流量校正，達(dá)到流量控制的目的；通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液管開(kāi)關(guān)的調(diào)速目的。

圖6 滴液截流裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structure diagram of drip interception device

結(jié)構(gòu)安裝：頂部套個(gè)螺母，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)端子至下而上連接入螺母，并把步進(jìn)電機(jī)固定于外殼裝置，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)頂部上下移動(dòng)從而夾緊實(shí)現(xiàn)截流。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 輸液監(jiān)測(cè)器軟件設(shè)計(jì)

輸液監(jiān)測(cè)流程主要是檢測(cè)水滴的脈沖，存儲(chǔ)水滴數(shù)量，累計(jì)觸發(fā)次數(shù)，檢測(cè)中間協(xié)調(diào)器，串口初始化，串口發(fā)送數(shù)據(jù)等。程序流程如7所示。

圖7 輸液監(jiān)測(cè)器程序流程圖Figure 7 Procedure flow chart of infusion monitor

3.2 多路輸液控制器軟件設(shè)計(jì)

多路輸液控制器軟件主要流程是根據(jù)不同的信息控制步進(jìn)電機(jī)通斷，利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)特性來(lái)帶動(dòng)截流夾的活動(dòng)桿控制輸液的通斷和流速。截流器的開(kāi)合可通過(guò)按鍵手動(dòng)控制，也可通過(guò)接收遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)指令控制，流程如8圖所示。

圖8 多路輸液控制器程序流程圖Figure 8 Procedure flow chart of multi-channel infusion controller

3.3 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程

組建一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：第一步是協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；第二步是路由器或終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過(guò)協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)絡(luò)和通過(guò)已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點(diǎn)：1.節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，具備ZigBee協(xié)調(diào)器能力；2.節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有與其它網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其它網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)建立流程步驟：

1.確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。首先判斷節(jié)點(diǎn)是否是FFD節(jié)點(diǎn)，接著判斷此FFD節(jié)點(diǎn)是否在其它網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。

2.進(jìn)行信道掃描。

3.設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PAN ID），此ID在所使用的信道中是唯一的。協(xié)調(diào)器短地址通常設(shè)置為0x0000。

協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后，其它普通節(jié)點(diǎn)加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只需將本身的信道設(shè)置成與協(xié)調(diào)器信道相同，并進(jìn)行信息認(rèn)證，即可請(qǐng)求加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)：

1.查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；

2.節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求關(guān)聯(lián)指令。協(xié)調(diào)器如果收到節(jié)點(diǎn)向其發(fā)的請(qǐng)求后會(huì)回復(fù)ACK確認(rèn)幀，最后向MAC層收到連接原語(yǔ)是，則協(xié)調(diào)器會(huì)同意是否這個(gè)關(guān)聯(lián)請(qǐng)求；

3.等待協(xié)調(diào)器處理；

4.數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送命令；

5.節(jié)點(diǎn)回復(fù)。

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件即主控端和移動(dòng)終端的監(jiān)控軟件。主控系統(tǒng)一般架設(shè)在醫(yī)院的護(hù)士站等地方，主要由服務(wù)器機(jī)組和平臺(tái)軟件組成，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后，終端監(jiān)測(cè)軟件會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析、保存和管理。

圖9 軟件主界面Figure 9 Software main interface

圖10 軟件詳細(xì)界面Figure 10 Software detailed interface

圖11 系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)應(yīng)用界面截圖Figure 11 Screen shot of real-time application interface of system software

上位機(jī)軟件主界面和詳細(xì)頁(yè)面如圖9和圖10所示,實(shí)時(shí)應(yīng)用界面如圖11所示。主要功能設(shè)計(jì)如下：保留傳統(tǒng)護(hù)士站服務(wù)病人的宗旨，可實(shí)時(shí)接收到來(lái)自病床的呼叫；點(diǎn)滴監(jiān)控：可對(duì)輸液劑量、輸液管大小進(jìn)行設(shè)置；可以監(jiān)控輸液藥瓶中剩余量的百分比；可以監(jiān)控輸液的滴速，并可根據(jù)病人情況進(jìn)行滴速的調(diào)整；可以預(yù)估輸液剩余時(shí)間和完成時(shí)間；如有異常，可收到輸液的異常報(bào)警。夾斷控制：當(dāng)收到輸液完成的提示后，通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件中的夾斷設(shè)置功能，可以停止輸液以及根據(jù)設(shè)定要求控制自動(dòng)續(xù)瓶單元實(shí)現(xiàn)換瓶?？梢詫?shí)時(shí)接收病人血壓脈搏等多種身體特征參數(shù)。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，最終通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)浇K端或者工作站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?？梢员４婧蛯?shí)時(shí)更新病人的資料及藥品資料。

4 總結(jié)

針對(duì)醫(yī)院護(hù)士站管理下的病區(qū)病床和需要護(hù)理人員監(jiān)護(hù)的患者家庭設(shè)計(jì)了一種監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。主要實(shí)現(xiàn)輸液監(jiān)控、自動(dòng)換瓶、血壓監(jiān)測(cè)、脈搏監(jiān)測(cè)等，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)式終端(手機(jī)、平板電腦)實(shí)時(shí)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和報(bào)警。護(hù)士站或家庭護(hù)理人員不必長(zhǎng)期值守，隨身攜帶手機(jī)或平板即可遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中，既降低護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)，又提高了工作效率。