基于 STM32 單片機的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

唐謙，王旭啟

（西京學(xué)院 電子信息學(xué)院，陜西西安，710123）

0 引言

我國是一個人口大國，染上不同疾病的患者也十分多，隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的進步和智能化的需求增加，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代醫(yī)療的需求。在現(xiàn)代臨床醫(yī)療中，靜脈輸液是最重要的治療方法之一。當(dāng)前患者輸液時主要由醫(yī)務(wù)人員不斷巡視或家屬陪護完成，從而防止由于患者輸液量大、耗時久而出現(xiàn)醫(yī)療事故[1]，同時因人工監(jiān)測工作量大、存在不夠精確等問題，并不能快速且準(zhǔn)確地得到患者實時輸液信息，這增加了醫(yī)護人員工作量以及患者家屬的擔(dān)心。本文是基于 STM32 系列單片機通過傳感器監(jiān)測患者輸液的實時信息，判斷輸液瓶內(nèi)有無藥劑，控制輸液滴速和溫度，及時發(fā)出警報通過藍(lán)牙將患者輸液信息傳送到用戶的終端，以此減少醫(yī)務(wù)人員工作量，讓患者安心就醫(yī)的同時減少患者和家屬的精神壓力。

1 總體方案

本系統(tǒng)的實現(xiàn)主要以 STM32F103C8T6 單片機為控制模塊，由輸液滴速監(jiān)測與控制、輸液溫度監(jiān)測與溫度加熱、藍(lán)牙無線傳輸、OLED 液晶顯示屏以及蜂鳴器報警六個部分組成。本系統(tǒng)旨在實現(xiàn)患者輸液數(shù)據(jù)采集、控制和顯示功能，同時設(shè)計報警機制，確保輸液過程中異常情況的及時發(fā)現(xiàn)和處理。將單片機啟動后，OLED 液晶顯示屏可以顯示患者輸液瓶內(nèi)的藥劑有無、輸液速率、藥劑溫度的相關(guān)信息。該系統(tǒng)具有按鍵控制，能夠根據(jù)每一位患者的體質(zhì)設(shè)定輸液速率范圍和藥劑溫度的參數(shù)，單片機通過槽型光耦傳感器和DS18B20 傳感器獲得的信息與設(shè)定的參數(shù)進行對比。若超出設(shè)定范圍，蜂鳴器會進行報警，并驅(qū)動步進電機模塊和繼電器溫度控制模塊調(diào)整患者的輸液速率和溫度，使得患者輸液更舒服。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 控制模塊

控制模塊采用 STM32F103C8T6 單片機作為核心芯片，它擁有 72MHz 的主頻，64KB 的 Flash 存儲器和 20KB 的SRAM 存儲器以及 7 個定時器，并且具有多個中斷控制器，有很好的控制、信息傳送能力，使用成本很低。

■2.2 輸液滴速監(jiān)測與控制模塊

本系統(tǒng)使用槽型光電傳感器完成對患者輸液速率的監(jiān)測，該傳感器尺寸小，不會對藥劑產(chǎn)生污染，響應(yīng)靈敏度高，所測數(shù)據(jù)精度高，不影響患者正?；謴?fù)。輸液速率監(jiān)測原理圖如圖2 所示。

圖2 輸液速率監(jiān)測原理圖

當(dāng)需要加快或減慢患者輸液滴速，輸液滴速的控制依靠的是步進電機，當(dāng)所測的輸液滴速不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時，STM32 單片機會控制步進電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)驅(qū)動輸液滑輪對輸液管的壓力，達(dá)到增加或降低患者輸液管內(nèi)藥劑滴速的效果。步進電機重量輕，所測數(shù)據(jù)誤差小[2]，便于在本系統(tǒng)安裝。

■2.3 輸液溫度監(jiān)測與溫度加熱模塊

本系統(tǒng)監(jiān)測藥劑溫度使用 DS18B20 溫度傳感器，所測的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)可直接輸出，大大提高了輸液監(jiān)測的抗干擾性，所測數(shù)據(jù)溫度精度高[3]，用常見的數(shù)據(jù)線連接就可使用，具有較高的靈敏度及穩(wěn)定性。

藥劑溫度主要通過繼電器對輸液瓶的加熱完成，在溫度較冷的輸液環(huán)境下，用戶可以在輸液前使用按鍵或手機端設(shè)置輸液瓶內(nèi)的溫度，同時當(dāng)監(jiān)測到的輸液溫度數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，本系統(tǒng)會驅(qū)動繼電器模塊加熱[4]。繼電器電路如圖3 所示。

圖3 繼電器原理圖

■2.4 藍(lán)牙無線傳輸模塊

本系統(tǒng)使用 HC05 藍(lán)牙無線傳輸模塊。該模塊可以將當(dāng)前患者的輸液信息在用戶的手機端進行顯示，同時也能利用手機端對當(dāng)前的數(shù)據(jù)進行控制[5]。HC05 模塊作為藍(lán)牙串口模塊，可與具有藍(lán)牙功能的設(shè)備配對。而且該模塊和3.3V或 5V 的單片機系統(tǒng)相兼容，極其簡單且靈活。

■2.5 OLED 液晶顯示模塊

OLED 液晶顯示適用于本系統(tǒng)這類中小型產(chǎn)品，其通常用于顯示字母、數(shù)字、符號等內(nèi)容，OLED 顯示技術(shù)分辨率高、亮度高、節(jié)能，且更加輕薄，使用起來靈活[6]。

■2.6 蜂鳴器報警模塊

蜂鳴器報警是本系統(tǒng)設(shè)計中的核心部分，對所采集患者輸液信息的結(jié)果向外界反饋，然后將所采集信息傳輸?shù)?OLED 液晶顯示屏和醫(yī)護人員終端。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，使用直流電壓供電，當(dāng)監(jiān)測到藥劑滴速和藥劑溫度不在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)時，蜂鳴器會報警并亮燈。蜂鳴器電路如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器電路

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的實現(xiàn)主要通過 Keil5 開發(fā)環(huán)境，根據(jù)所有功能采用的模塊化設(shè)計和邏輯編程[7]，運用槽型光耦傳感器和 DS18B20溫度傳感器實時監(jiān)測患者輸液滴速和溫度，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，蜂鳴器會進行報警并發(fā)光，同時驅(qū)動步進電機或繼電器進行相關(guān)調(diào)整，同時本系統(tǒng)實時監(jiān)測患者輸液藥劑瓶內(nèi)藥劑有無，提醒醫(yī)護人員拔針或更換藥劑瓶。保證輸液正常進行時，患者可以根據(jù)自己的體質(zhì)，對輸液滴速或藥劑溫度通過按鍵或手機端完成設(shè)置。軟件設(shè)計流程圖如圖5 所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

4 測試

■4.1 硬件測試與焊接

對本系統(tǒng)使用的各個模塊進行調(diào)試，觀察硬件是否存在故障，再使用電焊槍將各元件焊接在電路板上，其間要注意線路，避免出現(xiàn)接反正負(fù)極或發(fā)生短路。

■4.2 實物演示

將各元器件焊接完成后，接電，硬件測試即用 keil5 進行程序編譯、調(diào)試并下載到 STM32F103C8T6 單片機，即可在 OLED 液晶顯示屏看到患者輸液信息，同時可以通過按鍵或手機端對輸液滴速和藥劑溫度控制。

測試結(jié)果如下：患者正常輸液時，OLED 屏幕顯示如圖6(a)所示，需要拔針或更換輸液瓶時，OLED 屏幕顯示如圖6(b)所示，同時蜂鳴器報警并發(fā)光，用戶可以通過按鍵或手機端設(shè)置輸液滴速和藥劑溫度，如圖6(c～f)所示，用戶也在手機端也可以看到患者的輸液信息，如圖7 所示。

圖6 硬件測試結(jié)果

5 總結(jié)

針對輸液監(jiān)測，本研究設(shè)計了一款相對傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法更精準(zhǔn)、更高效、便利且低成本的系統(tǒng)，針對各模塊功能需求對硬件和軟件進行設(shè)計與研究，經(jīng)測試，本系統(tǒng)可以不間斷監(jiān)測針對患者輸液信息，通過藍(lán)牙無線傳輸通知用戶拔針或更換藥劑瓶，同時可以讓患者在輸液過程中更舒服，減少家屬心理壓力。本系統(tǒng)適用人群廣，方便醫(yī)護人員工作。

智能輸液監(jiān)測系統(tǒng)已成為當(dāng)代醫(yī)療不可或缺的一部分，基于本系統(tǒng)所采用的方法，還可以添加數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲患者的電子病歷，方便日后查看輸液記錄；通過配備外接電池使得本系統(tǒng)可以在戶外使用等使得本系統(tǒng)更加智能化、人性化。靜脈輸液作為最常見的醫(yī)療方法，如何保障輸液順利進行頗為重要，智能輸液監(jiān)測系統(tǒng)會隨著計算機的發(fā)展不斷完善，因此該系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用有望更廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院。