基于NB-IoT智能點(diǎn)滴監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 微，李睿勛，陳澤昕，郝琦琦

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院 電氣與信息工程系，西安 710018）

靜脈點(diǎn)滴輸液是一種常用的臨床治療方法。 目前對于靜脈點(diǎn)滴輸液，剩余藥量判斷主要是人工監(jiān)測方法，但是人工監(jiān)測效率低，占用陪護(hù)和醫(yī)護(hù)人員大量時間和精力， 同時還存在一定的失誤率，造成液滴滴空，空氣栓塞、針頭回血等醫(yī)療事故[1-2]。 因此利用微機(jī)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液體點(diǎn)滴實(shí)時、安全、自動監(jiān)控具有重要的意義，特別是在一些重大傳染性疾病如新型冠狀病毒的爆發(fā)期，智能點(diǎn)滴自動監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)Σ∪它c(diǎn)滴數(shù)據(jù)監(jiān)測，還能解決醫(yī)患比例嚴(yán)重失衡，病毒強(qiáng)感染和致病性等現(xiàn)實(shí)問題。

目前智能點(diǎn)滴無線監(jiān)測技術(shù)研究最為廣泛的是無線藍(lán)牙、WiFi、LoRa、ZigBee、有色Petri 網(wǎng)、5G技術(shù)等[3-6]。 文獻(xiàn)[7]基于有色Petri 網(wǎng)設(shè)計(jì)了智能家居輸液監(jiān)控通信模型；文獻(xiàn)[8]利用LoRa 技術(shù)，設(shè)計(jì)了智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]利用ZigBee 技術(shù)結(jié)合CC2530 單片機(jī)對電容數(shù)值的運(yùn)算結(jié)果，對輸液狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；文獻(xiàn)[10]采用C# 語言開發(fā)上位機(jī)的軟件運(yùn)用WiFi 無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線智能輸液監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的建立。窄物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)相對于上述無線通訊技術(shù)，具有功耗低、成本低、覆蓋廣等優(yōu)勢[11]，被廣泛應(yīng)用于智能抄表、智慧養(yǎng)殖、智能城市、遠(yuǎn)距離檢測等多種領(lǐng)域[12-14]，因此將NB-IoT 應(yīng)用在智慧醫(yī)療行業(yè)也是未來發(fā)展趨勢。

本文設(shè)計(jì)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能點(diǎn)滴監(jiān)測系統(tǒng)，通過STM32 主控芯片對液位信息進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測報警功能，利用云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲及監(jiān)測，方便醫(yī)護(hù)和陪護(hù)人員實(shí)時查看剩余點(diǎn)滴信息，提高了點(diǎn)滴輸液過程的可靠性和安全性。

1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能點(diǎn)滴監(jiān)測系統(tǒng)以NB-IoT 技術(shù)為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)主要包括液位采集模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊、有人云平臺。 液位采集模塊完成液位數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)向物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)送，轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺并接收從云平臺下發(fā)的命令等。 有人云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為橋梁，連接起應(yīng)用管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲，實(shí)現(xiàn)采集的液位數(shù)據(jù)的上傳和應(yīng)用管理系統(tǒng)命令的下發(fā)。 應(yīng)用管理平臺通過有人云物聯(lián)網(wǎng)云平臺和液位采集模塊，實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集。 物聯(lián)網(wǎng)模塊平時處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)， 當(dāng)需要采集和上報數(shù)據(jù)時，被自動喚醒，待其完成工作之后，又進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 STM32 主控制器[15]通過其引腳與各個模塊進(jìn)行連接，使各模塊協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 報警模塊用于監(jiān)測剩余液位以及特殊情況的報警信息，如果剩余液位過低或藥瓶懸掛不正確等都會觸發(fā)報警模塊進(jìn)行聲光報警，并把數(shù)據(jù)傳輸至云平臺方便遠(yuǎn)端查看處理。 液位監(jiān)測模塊用于實(shí)時采集剩余液位信息并經(jīng)控制器處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺存儲顯示。 存儲模塊用于將采集到的各種信息進(jìn)行儲存，防止信息丟失。顯示模塊用于顯示設(shè)置菜單、剩余液位及報警情況等信息。 供電模塊分別為NB-IoT 模塊、STM32 主控制器及顯示模塊等供電以保證模塊正常工作和系統(tǒng)低功耗運(yùn)行。NB-IoT 通信模塊主要實(shí)現(xiàn)控制器與云平臺間的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制指令的下發(fā)。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure

2.1 STM32 主控制器模塊

選用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為主控芯片，其外部設(shè)有晶振電路、 復(fù)位電路以及電源電路，組成最小的工作系統(tǒng)，確保主控芯片能正常工作。

2.2 液位檢測模塊

液位檢測采用重力傳感器，以高精度應(yīng)變片結(jié)合電橋進(jìn)行高靈敏度重力檢測，并通過A/D 轉(zhuǎn)換電路將重力信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字量發(fā)送給單片機(jī)處理。

2.3 報警模塊

本系統(tǒng)采用蜂鳴器和LED 指示燈組成報警模塊，通過主控芯片對液位信息進(jìn)行判斷處理來驅(qū)動報警模塊實(shí)現(xiàn)液位信息的報警功能。

2.4 有人云NB-IoT 模塊

有人云模塊基于電信NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信具有高性能、低功耗、簡單易用等特點(diǎn)，相比與其它的無線通信模塊， 有人云物聯(lián)網(wǎng)模塊具有覆蓋強(qiáng)、大連接、功耗低和成本低等優(yōu)點(diǎn)[16]。模塊工作電路主要包括：電源模塊、復(fù)位模塊、串口通信模塊、天線模塊、SIM（subscriber identity module）卡接口模塊[17]。本系統(tǒng)采用有人云模塊的TX/RX 引腳分別與STM32 主控制器的PA9 和PA10 引腳相連進(jìn)行通信，其通信電路如圖2 所示。

圖2 有人云物聯(lián)網(wǎng)模塊通信電路Fig.2 Human cloud IoT module communication circuit

2.5 電源模塊

電源模塊采用LM2596 降壓模塊將6 V 電壓分別調(diào)整成5 V，3.3 V 為單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)模塊及其它模塊供電，由單片機(jī)控制各模塊的供電來進(jìn)行模式切換，實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C 語言進(jìn)行開發(fā)，主要包含有人云物聯(lián)網(wǎng)通信程序及主程序。

3.1 有人云模塊通信設(shè)計(jì)

有人云模塊入網(wǎng)通信流程如圖3 所示。

圖3 有人云物聯(lián)網(wǎng)模塊入網(wǎng)通信流程Fig.3 Network access communication flow chart of human cloud IoT module

3.2 主程序設(shè)計(jì)

在開機(jī)之后進(jìn)行設(shè)備初始化，NB-IoT 模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，連接成功后進(jìn)入主界面由用戶進(jìn)行菜單選擇，首先需要進(jìn)行報警液位設(shè)定，默認(rèn)值為5%可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定需要輸入密碼正確才能進(jìn)行。 在主界面選擇權(quán)限管理可以進(jìn)行密碼修改，初始密碼為“123456”，輸液前需對藥量進(jìn)行復(fù)位以消除瓶本身重量對輸液檢測值的影響，當(dāng)復(fù)位成功后即可開始輸液， 輸液過程中會對剩余藥量進(jìn)行判斷， 并將輸液信息實(shí)時發(fā)送到服務(wù)器上以備查看，當(dāng)藥量不足時會進(jìn)行聲光報警，并將報警信息發(fā)送到手機(jī)和電腦端。 主程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程Fig.4 Main program flow chart

4 系統(tǒng)測試

4.1 網(wǎng)絡(luò)測試

系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模塊需要進(jìn)行駐網(wǎng)測試，通過串口連接模塊發(fā)送AT 指令進(jìn)行測試以驗(yàn)證模塊是否正常工作，測試界面如圖5 所示。

圖5 有人云物聯(lián)網(wǎng)模塊駐網(wǎng)測試Fig.5 Human-cloud IoT module on-site test

4.2 硬件測試

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖焊接完硬件結(jié)構(gòu)后對硬件系統(tǒng)進(jìn)行測試，觀察其是否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of the system hardware

4.3 軟件測試

系統(tǒng)操作界面采用C 語言編寫，系統(tǒng)界面由開場動畫、信息展示、菜單展示、子菜單展示等界面組成，可以實(shí)現(xiàn)報警液位設(shè)定、權(quán)限管理、藥量復(fù)位、輸液進(jìn)度查看及報警信息展示等交互功能，其界面如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)操作界面Fig.7 System operation interface

4.4 場景模擬測試

系統(tǒng)整體連接后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測及傳輸測試，觀察測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性，以及報警信息發(fā)送的及時性， 其測試場景如圖8 所示，在電腦端可以對藥量及報警信息遠(yuǎn)程訪問，并可通過微信小程序?qū)缶畔⒓皻v史記錄實(shí)時查看，電腦端顯示界面如圖9 所示。

圖8 系統(tǒng)測試場景Fig.8 System test scenario

圖9 電腦端數(shù)據(jù)顯示Fig.9 Computer-side data display

5 結(jié)語

經(jīng)測試表明：基于NB-IoT 智能點(diǎn)滴監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的對輸液過程進(jìn)行在線監(jiān)測，并在剩余藥量較少時進(jìn)行報警，提示醫(yī)護(hù)人員換藥，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器供護(hù)士站端及手機(jī)端查詢，數(shù)據(jù)傳輸具有較好的實(shí)時性，系統(tǒng)測量精度高，最大相對測量誤差僅有2%。 應(yīng)用該系統(tǒng)，可以使陪護(hù)以及醫(yī)護(hù)人員很方便地在遠(yuǎn)端查看輸液進(jìn)度，節(jié)省時間和精力，提高了點(diǎn)滴輸液的安全性和可靠性。