基于CDIO的病房無人看護系統(tǒng)綜合設(shè)計性實驗項目研究

摘 要：為了訓(xùn)練學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握基于CDIO理念的工程設(shè)計方法，對電子技術(shù)綜合課程設(shè)計的項目進行了改革和探索，引入了病房無人看護系統(tǒng)的綜合性設(shè)計實驗項目。該項目包括下位機智能輸液儀、上位機軟件、LED點陣顯示模塊的設(shè)計。下位機智能輸液儀能在輸液時實現(xiàn)輸液自動控速、輸液自動換瓶、病房溫度檢測、病房呼叫功能。上位機軟件能實時檢測各個病房的下位機信息，主要包括病房溫度、點滴速度、輸液瓶號、輸液進度、病人呼叫、病人突發(fā)情況警報，并且能發(fā)出控制信號控制下位機智能輸液儀的參數(shù)設(shè)定。LED點陣能實時顯示各個病房的輸液情況，更方便觀察各病房的輸液進度。本項目涉及本科階段電子信息類專業(yè)的傳感器技術(shù)、軟件編程技術(shù)、單片機技術(shù)、通信技術(shù)等方面的課程知識，具有很強的綜合性，有利于提高學(xué)生設(shè)計復(fù)雜電子系統(tǒng)的能力及實踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：智能輸液；無人看護系統(tǒng)；自動控速；自動換瓶；無線通信；CDIO

中圖分類號：TP39；TN95 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.026

0 引 言

CDIO項目式教學(xué)包括構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate），是近年來國際工程教育改革的最新成果，也是我國發(fā)展“新工科”工程認證過程中所提倡的教學(xué)模式[1-2]。CDIO創(chuàng)新與工程實踐教學(xué)模式能夠?qū)⒄n程與學(xué)生的工程實踐能力培養(yǎng)相結(jié)合，通過基于問題、基于項目、基于案例的融合多學(xué)科和行業(yè)前沿知識的學(xué)習(xí)和實踐，將通識教育與專業(yè)教育融合，將行業(yè)新技術(shù)、原理和方法融入專業(yè)課程教育體系，促進課程和實踐體系的更新，培養(yǎng)學(xué)生具備新工科專業(yè)建設(shè)能力，具備運用多學(xué)科知識、原理和方法解決工程問題并預(yù)見挑戰(zhàn)的能力，從而支持我校培養(yǎng)出符合新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟形態(tài)需要的工程能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才。引入病房無人看護系統(tǒng)的綜合設(shè)計性實驗項目，可以很好地踐行CDIO的教學(xué)理念，訓(xùn)練學(xué)生的工程實踐和工程設(shè)計

能力[3]。

1 病房無人看護系統(tǒng)綜合設(shè)計性實驗的設(shè)計任務(wù)和

系統(tǒng)功能

實驗設(shè)計任務(wù)如下：

（1）點滴流速的檢測和控制：初步設(shè)定相關(guān)的參數(shù)后系統(tǒng)自動運行監(jiān)控，若出現(xiàn)異常情況則及時預(yù)警，以達到點滴輸液時不用人看護的目的。

（2）輸液自動換瓶：若當前輸液瓶輸液完成則自動更換下一瓶繼續(xù)輸液。

（3）病房呼叫：病人及家屬可在需要時直接按下設(shè)置好的呼叫開關(guān)，系統(tǒng)會自動發(fā)送消息至PC終端，通知護士。

（4）突發(fā)情況報警：對病房出現(xiàn)的一些突發(fā)情況進行報警，通知PC終端。

（5）設(shè)計相配套的管理軟件，使醫(yī)務(wù)人員能及時掌握病人及病房的相關(guān)信息并儲存，并且能調(diào)控各病房的環(huán)境。

系統(tǒng)功能如下：

（1）實現(xiàn)輸液的自動換瓶；

（2）實現(xiàn)點滴自動調(diào)速[2]；

（3）存取有關(guān)數(shù)據(jù)與控制的參數(shù)；

（4）通過軟件對病房輸液情況進行監(jiān)控和控制。

2 綜合設(shè)計性實驗項目的開發(fā)

本實驗項目采用學(xué)生分組實驗的方式來實施，三人一個小組，每個小組根據(jù)學(xué)生的特長分配實驗內(nèi)容；學(xué)生根據(jù)分配的實驗內(nèi)容，實現(xiàn)模塊電路的設(shè)計，然后再實現(xiàn)系統(tǒng)集成，整個操作流程符合企業(yè)的項目運作流程；項目完成以后，每個小組要進行項目答辯和實物驗收。本實驗項目的整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)由下位機智能輸液儀和上位機實時監(jiān)控軟件及LED點陣顯示屏3部分組成。各部分通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。智能輸液儀包含滴速檢測模塊、滴速控制模塊、換瓶信號檢測模塊、自動換瓶模塊、溫度檢測模塊、呼叫模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD12864顯示模塊和主控制器。下位機將各個傳感器模塊采集的實時數(shù)據(jù)，如病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數(shù)、輸液剩余時間及儀器狀態(tài)信息，通過無線通信傳送至上位機監(jiān)控軟件和LED點陣顯示屏，方便醫(yī)院護士對各個病房床位的輸液情況進行監(jiān)測；另外護士也可以通過上位機修改和控制病人的輸液速度、執(zhí)行換瓶動作，極大地減輕了護士的工作量，同時也保證了輸液換瓶的實時性和輸液速度的穩(wěn)定性。

利用護士站的微型計算機分別控制每個病房的溫度和每個病床的輸液情況。該系統(tǒng)的具體運行流程為：第一步，工作人員設(shè)置好智能輸液器的參數(shù)；第二步，由下位機（點滴檢測與控制子系統(tǒng)、溫度檢測子系統(tǒng)）采集各種信息并將采集到的信息傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后，通過串口通信把相應(yīng)模塊的信息傳送給上位機（計算機控制端）；第三步，醫(yī)生或護士等管理者通過計算機的管理軟件查看由各病房的下位機傳送來的信息，并且發(fā)送控制信息給下位機，由下位機去執(zhí)行，完成管理者的任務(wù)[3]。

3 綜合設(shè)計性實驗硬件電路設(shè)計

3.1 RS 232/485轉(zhuǎn)換電路

RS 232/485轉(zhuǎn)換器主要包括電源、RS 232電平轉(zhuǎn)換電路、RS 485電路3部分[4]。本電路的RS 232電平轉(zhuǎn)換電路采用了MAX232集成電路，RS 485電路采用了MAX485集成電路。為了使用方便，電源部分設(shè)計成無源方式，整個電路的供電直接從PC機的RS 232接口中的DTR（4腳）和RTS（7腳）

獲得。PC串口的每根線可以提供大約9 mA的電流，因此兩根線提供的電流就足夠供給這個電路使用了。MAX485通過RE（2腳）和DE（3腳）兩個引腳來控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。當RE為低電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸入有效；當DE為高電平時，MAX485數(shù)據(jù)輸出有效。在本系統(tǒng)中將這兩個引腳直接相連，然后通過PC輸出的高低電平就可以實現(xiàn)MAX485在接收和發(fā)送狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。具體電路如

圖2所示。

3.2 滴速檢測模塊

將紅外發(fā)射管與紅外接收管安放在輸液管液滴可見區(qū)的兩側(cè)，當有液滴通過時紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外信號受到液滴的折射作用，導(dǎo)致射入紅外接收管的紅外信號強度變?nèi)?。利用這種差別，將信號進行濾波放大后得到單片機能直接識別的電平信號[5]。具體電路如圖3所示。

3.3 滴速控制模塊

輸液速度控制要求快速準確，為了達到這樣的效果，在硬件設(shè)計上采用壓迫式方法對輸液管進行不同強度的壓迫，從而準確地控制液滴的速度。滴速控制模塊采用大扭力電機作為動力源，并通過絲桿傳動將電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為水平滑動，從而壓迫輸液管控制滴速。具體電路如圖4所示。

3.4 換瓶信號檢測模塊

為了進行換瓶控制，需要得到輸液瓶的液位信號，這樣才能準確地把握換瓶時機。對于換瓶信號的檢測，由于有了液滴檢測作為前提，因而考慮同樣采用紅外檢測的方式。將紅外發(fā)射管和接收管置于輸液瓶正下方，當輸液瓶內(nèi)有液體時紅外接收管收到較弱的紅外信號，當輸液瓶內(nèi)無液體時紅外接收管接收到較強的紅外信號，將這種差別通過放大電路放大后得到準確的結(jié)束信號。將紅外發(fā)射管與紅外接收管安放在輸液瓶口正下方，當瓶內(nèi)藥物低于紅外發(fā)射管時，射入紅外接收管的紅外信號強度變強。利用這種差別，將信號進行濾波放大后得到單片機能直接識別的電平信號[6]。

3.5 自動換瓶模塊

對需要更換的輸液瓶進行自動換瓶，實現(xiàn)無人操作，保證輸液換瓶的穩(wěn)定性和可靠性。輸液換瓶是本項目的核心內(nèi)容，本文提出采用倒置輸液瓶換瓶法。在正常輸液時待用的輸液瓶是瓶口朝上的，當上一瓶輸液完畢時，通過舵機準確地控制待用輸液瓶向下旋轉(zhuǎn)180°，這時藥物就能順利向下流動，從而實現(xiàn)換瓶。舵機控制器通過生成周期為20 ms的脈沖信號（其中高電平時間在500 μs～2 ms范圍內(nèi)）來精確控制舵機的轉(zhuǎn)動角度，進而控制輸液瓶的倒置，實現(xiàn)自動換瓶。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.6 溫度檢測和聲音提示模塊

溫度檢測模塊負責實時采集病房溫度，并傳送至上位機。聲音提示模塊在輸液完成時會通過下位機發(fā)出相應(yīng)的聲音，提示家屬或病人。溫度檢測采用的是集成溫度芯片DS18B20，DS18B20是一種單總線的溫度芯片，測溫范圍為-55～125 ℃，完全能夠滿足病房溫度采集的需求，并且穩(wěn)定性高。聲音提示采用蜂鳴器，蜂鳴器提示音大小適中，電路簡單。

3.7 輸液控制器顯示模塊

該模塊負責對輸液信息進行設(shè)定和顯示，提供人機交互接口。由于設(shè)定參數(shù)所用的按鍵相對較多，本文采用4×4矩陣鍵盤。LCD顯示屏在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用得較多，性價比較高，因此本文采用LCD12864液晶屏作為輸液控制模塊的顯示設(shè)備。

3.8 LED點陣顯示屏

采用LED點陣顯示屏顯示輸液病人所在病房和病床以及輸液完成等提示信息。點陣屏隨著輸液病人數(shù)量的變化顯示不同的信息，能夠及時顯示即將結(jié)束輸液的病人信息，并及時提醒管理人員。本設(shè)計使用了數(shù)組存儲法，利用輸液床位的標號設(shè)置數(shù)組的值，并且數(shù)組元素的值和下標相等，再在數(shù)組中查找和計算非零元素的總個數(shù)，點陣屏隨非零元素的個數(shù)和非零元素的下標變化顯示正在輸液的病人所在房間和床位。因此該顯示屏能動態(tài)地顯示正在輸液的病人的床位信息。具體原理如圖6所示。

4 綜合設(shè)計性實驗主要軟件設(shè)計

4.1 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

如圖7所示，上位機軟件負責實時監(jiān)控床位，顯示輸液過程中的信息，必要時可以設(shè)置輸液控制器參數(shù)，顯示病人病情以及各種需求，提供報警信號，實現(xiàn)多機通信，進而監(jiān)控所有床位。PC串口通信上位機能夠?qū)纹瑱C發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行顯示，其關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)接收的準確性和完整性。由于此系統(tǒng)為多機通信系統(tǒng)，因此必須事先設(shè)置好通信協(xié)議。為防止數(shù)據(jù)接收中斷而導(dǎo)致程序卡死或數(shù)據(jù)接收不連續(xù)等問題，本通信協(xié)議規(guī)定每幀數(shù)據(jù)發(fā)送13個字節(jié)，并且各字節(jié)代表不同的含義，第1字節(jié)為地址信號，末尾字節(jié)為停止信號，倒數(shù)第2、3字節(jié)為校驗碼。當PC軟件收到來自多個從機發(fā)出的信號時，PC軟件必須挑選一個從機的信息進行顯示，因此可以在接收到數(shù)據(jù)時把各數(shù)據(jù)用文件存儲起來，當選擇到某個房間的某床位時再具體顯示該床位信息，以此解決顯示混亂問題。

為了方便用戶使用軟件并為醫(yī)生提供參考，軟件中設(shè)計了床位信息編輯頁，方便醫(yī)生解決病人的就醫(yī)問題。用戶的床位監(jiān)控數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接收端口信息、參數(shù)的設(shè)置最終會被發(fā)送給主程序，主程序再將這些數(shù)據(jù)存儲在文件中，當要使用這些數(shù)據(jù)時再從文件中調(diào)用這些數(shù)據(jù)，并顯示在軟件界面數(shù)碼管上。另外主程序也可以將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給輸液控制器[7]。

原理說明：當上位機軟件啟動時，若是第一次啟動，則會創(chuàng)建文件，初始化參數(shù)；若不是，則程序等待定時器函數(shù)的響應(yīng)。在定時器函數(shù)里面，主程序會設(shè)置多種發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，每一種狀態(tài)對應(yīng)不同的功能，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。接收的數(shù)據(jù)和用戶設(shè)置的信息都會被以文件的方式存儲起來，以便后續(xù)能夠根據(jù)用戶的設(shè)置來動態(tài)地展示數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)混亂。數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)采用重載函數(shù)的形式實現(xiàn)，進而在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送過程中實現(xiàn)不同功能。

控制說明：打開軟件時首先選擇串口號，然后按下“打開串口”按鈕，這時按鈕會變成“關(guān)閉串口”；選擇相應(yīng)的房間和床位，數(shù)碼管會顯示床位的信息，若需設(shè)置輸液參數(shù)，可按下“重設(shè)滴速”或“重設(shè)容量”按鈕，也可以選擇報警音樂實現(xiàn)報警。

4.2 下位機總體程序流程

下位機總體流程如圖8所示，通過該程序完成了病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數(shù)、輸液剩余時間及儀器狀態(tài)信息的采集，并實現(xiàn)了輸液的滴速控制和換瓶控制。

5 綜合設(shè)計性實驗效果展示

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，學(xué)生小組經(jīng)過共同努力，完成了病房無人看護系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了一個完整的電子系統(tǒng)，給出了模型設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計效果圖。關(guān)鍵部分效果圖如圖9和圖10所示。

6 結(jié) 語

在對電子技術(shù)綜合課程設(shè)計的項目進行改革和探索的過程中，引入了病房無人看護系統(tǒng)的綜合性設(shè)計實驗項目，并在我校電子信息工程、電子科學(xué)與技術(shù)和通信工程3個專業(yè)進行了教學(xué)實踐，得到了較好的效果，學(xué)生熟練掌握了基于CDIO[8-10]工程實踐的流程，并加強了學(xué)生的團隊合作意識。經(jīng)過教學(xué)實踐獲得以下體會：學(xué)生在總體方案上基本保持一致，但是在模塊電路的制作上可以充分發(fā)揮能動性，制作出不一樣的電路；小組的匯報答辯非常重要，可以很好地鍛煉學(xué)生對項目開發(fā)的總結(jié)能力，也可以學(xué)習(xí)不同小組在系統(tǒng)設(shè)計方案方面的優(yōu)點，擴大學(xué)生的知識面，提高交流能力；實物的制作可以很好地鍛煉學(xué)生的實踐動手能力和機械模具的設(shè)計能力，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識面。

注：本文通訊作者為梁曉琳。

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收稿日期：2023-10-07 修回日期：2023-11-06

基金項目：2024年度湖南省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目資助（4762）

作者簡介：李 浩（2005—），男，湖南祁東人，研究方向為電子與信息工程。

包本剛（1976—），男，湖南永州人，碩士，教授，研究方向為高教管理、集成電子電路設(shè)計和測試。