一種便攜式無線輸液報警器的設(shè)計

孫鵬（通信作者），唐永菁

山東威高藥業(yè)股份有限公司 （山東威海 264200）

靜脈輸液是臨床治療中非常重要的一環(huán)，通常情況下，其持續(xù)時間較長，而由于患者、陪護(hù)家屬或責(zé)任護(hù)士不能始終觀察輸液情況，導(dǎo)致輸液完成后患者可能會出現(xiàn)由于壓力差而造成回血的情況，甚至出現(xiàn)更換輸液器和重新穿刺的情況，增加患者痛苦，引發(fā)醫(yī)患糾紛。目前，由輸液完成未能及時處理而引起的醫(yī)患糾紛已受到社會的普遍關(guān)注?；诖耍狙芯吭O(shè)計了一種便攜式無線輸液報警器，旨在為患者提供安全保障。

1 輸液報警器的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外常用的輸液報警器按照檢測原理主要分為光電式報警器、光纖式報警器、超聲波式報警器、稱重式報警器及電容式報警器幾種。（1）光電式報警器：通常安裝在輸液管壁外側(cè)，由紅外發(fā)光二極管和紅外光敏二極管構(gòu)成，當(dāng)藥液遮擋紅外線時，紅外接收管電位發(fā)生變化，以此來判斷輸液是否完成[1]。（2）光纖式報警器：通常安裝在輸液瓶的瓶口位置，利用光在液面發(fā)生折射來確定液面的高度，當(dāng)液面到達(dá)指定報警位置時，全反射光線將入射到光纖接收端，實現(xiàn)輸液瓶內(nèi)液位的高度測量。（3）超聲波式報警器：通常安裝在輸液瓶的瓶底位置，利用高頻聲波的反射原理測量液位高度，即儀器發(fā)出的超聲波脈沖傳到液面時會被反射，測出瓶內(nèi)液位的高度。（4）稱重式報警器：通常安裝在輸液支架上，并將輸液瓶懸吊，通過力學(xué)傳感器將輸液瓶重力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘柕淖兓瑏砼袛噍斠菏欠裢瓿蒣2]。（5）電容式報警器：通常安裝在輸液管壁外側(cè)，利用液體和空氣的介電常數(shù)不同，引起電容器的電容量變化，來判斷輸液是否完成。其中，光電式報警器體積小，易操作，但對于無色的藥液不靈敏，容易產(chǎn)生誤報警，所以應(yīng)用受限；光纖、超聲波和稱重式報警器雖然比較精準(zhǔn)，但易受支架晃動和光線變化等外界環(huán)境的影響，并且每次更換輸液瓶都需要重新調(diào)整和固定，操作較煩瑣，且整體體積大，應(yīng)用不方便[3]；電容式報警器體積小，安裝方便，對藥液無特殊要求，所以在本設(shè)計中選擇電容式檢測方式。

2 便攜式無線輸液報警器的設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

通過對比以上多種報警器，本次的報警器采用電容式方案設(shè)計，兩個平行電容板在報警器輸液管的前后兩側(cè)，根據(jù)平行電容板的電容值公式C=ε×S/d（其中，ε 為平行電容板之間介質(zhì)的介電常數(shù)，S 為極板面積，d 為極板間的距離，水的介電常數(shù)約為78.5，空氣的介電常數(shù)約為0）[4]，在極板面積和極板間相對距離不變的情況下，當(dāng)輸液器中液面不斷下降并經(jīng)過平行電容板時，介質(zhì)由藥液變?yōu)榭諝猓痣娙葑兓?，報警器開始工作。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

報警器外殼采用牢固無害的PE 材質(zhì)，整體設(shè)計簡潔，可防止意外碰撞而損壞；夾扣采用前后相互嵌套的設(shè)計結(jié)構(gòu)，擴大了內(nèi)部集成電路板的安裝空間，以彈簧方式實現(xiàn)，單手可以操作，方便快捷；啟動開關(guān)采用圓形凹陷的按鍵方式，防止誤操作，并通過電源燈常亮顯示啟動和關(guān)機狀態(tài)；輸液完成的報警采用聲光同時報警的方式，即LED 燈按設(shè)定頻率閃爍，蜂鳴器一直工作，直到按下復(fù)位按鈕（采用方形凹陷設(shè)計，防止按錯），聲光報警停止。產(chǎn)品外形見圖1。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

該報警器主要分為電容式檢測報警裝置及與醫(yī)院呼叫系統(tǒng)相連的無線觸發(fā)呼叫裝置兩部分。其中，電容式檢測報警裝置由5 V 紐扣電池提供電源，配置一套用于液位檢查的電容式傳感器，選擇蜂鳴器和LED 燈作為單機聲光報警，以夾扣的方式固定于輸液器管路上，夾扣內(nèi)與輸液器接觸的部分配有軟橡膠，用于在保持扣緊的基礎(chǔ)上保護(hù)管壁不受破壞。無線觸發(fā)呼叫裝置安裝于護(hù)理床上并與醫(yī)院的呼叫系統(tǒng)相連，通過無線模塊獲得報警裝置的信號，并通過繼電器觸發(fā)醫(yī)院的呼叫系統(tǒng)。

2.3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用的控制核心為AT89C52，其是新一代高速、低功耗、超強干擾的8位單片機，響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定可靠，已被廣泛用于醫(yī)用電子行業(yè)[5]。系統(tǒng)通過電容傳感器感應(yīng)輸液管中的液位，當(dāng)液位低于傳感器位置時，傳感器電容發(fā)生明顯變化，從而引起電路中電壓的變化，由此將液位物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐返碾娏餍盘?，該電流信號?jīng)過整流、濾波和放大后傳輸給單片機，單片機開始運行報警程序。

2.3.2 信號無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計選用nRF24L01無線收發(fā)模塊（對電壓要求較高，即要求供電的電壓足夠穩(wěn)定，所以需要將5 V 電源轉(zhuǎn)化成3.3 V 的理想工作電壓），工作頻率為2.4 GHz，可靠性好，功耗低，支持多頻多通道通信[6]；此外，采用PCB 內(nèi)置天線（減小了設(shè)備體積），可靠傳輸距離為10 m，滿足使用要求；利用AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換模塊，不僅能夠改變電壓，還具備較好的穩(wěn)壓功能（有效穩(wěn)壓精度為1%）[7]。降壓電路設(shè)計見圖2。

2.3.3 與醫(yī)院呼叫系統(tǒng)的對接系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)實際液位變化，安裝在輸液器上的檢測報警裝置會發(fā)出聲光報警，同時，為了進(jìn)一步保障患者的輸液安全，該報警信號會通過無線傳輸?shù)姆绞接|發(fā)醫(yī)院的病床呼叫系統(tǒng)，將情況及時通知護(hù)士站的值班人員。本對接系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊選擇nRF24L01，控制芯片選擇AT89C52，單片機通過控制繼電器的通斷來實現(xiàn)呼叫功能。因為單片機實際的端口輸出電流很小，通常無法直接驅(qū)動繼電器[8]，所以本設(shè)計采用增加單片機輸出端的三極管放大電路來實現(xiàn)呼叫功能。放大電路見圖3。

2.4 程序設(shè)計

在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過Keil C51編寫軟件程序，實現(xiàn)輸液器中液面高度的監(jiān)控和報警。（1）聲光報警程序：按下啟動按鈕后，系統(tǒng)開始工作，電源燈常亮顯示啟動狀態(tài)，當(dāng)傳感器感應(yīng)到液面變化時，報警程序啟動，蜂鳴器和報警燈開始工作，同時，報警信號通過無線傳輸觸發(fā)醫(yī)院的呼叫系統(tǒng)，直到復(fù)位按鈕被按下，系統(tǒng)停止報警[9]。（2）信號無線收發(fā)程序：nRF24L01模塊的數(shù)據(jù)傳輸通過SPI 接口實現(xiàn)，SPI 的接口時序由單片機的IO 口提供，參數(shù)設(shè)置時應(yīng)保證發(fā)送和接收兩端的地址寬度、信道工作頻率等參數(shù)相同，本設(shè)計中，為保證數(shù)據(jù)的正確性，采用16位CRC 校驗。

3 小結(jié)

本研究設(shè)計了一種便攜式無線輸液報警器，體積小，無外接電源和通信線，方便攜帶，實現(xiàn)了獨立聲光報警的同時，可以通過無線的方式觸發(fā)醫(yī)院的病床呼叫系統(tǒng)，不僅降低了看護(hù)人員的勞動強度，提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，而且提升了醫(yī)療病房信息化和智能化水平，能夠在醫(yī)療應(yīng)用中起到良好的輔助作用。