周正阳;王聪聪;王一钦;李可;郑琦琪
【摘 要】智能输液系统由上位机(微机)、下位控制机、滴速测定和滴速控制系统、液体保温装置、意外报警装置构成.该装置主要通过单片机、光电传感器、ZigBee短距离无线通信等技术搭建而成,使用该装置进行输液,可大大减轻护理人员的工作负担,为患者的输液安全保驾护航. 【期刊名称】《物联网技术》
【年(卷),期】2017(007)006
【总页数】3页(P51-53)
【关键词】智能输液;液位监测;滴速控制;ZigBee
【作 者】周正阳;王聪聪;王一钦;李可;郑琦琪
【作者单位】江南大学物联网工程学院 至善学院,江苏 无锡 214122;江南大学物联网工程学院 至善学院,江苏 无锡 214122;江南大学物联网工程学院 至善学院,江苏 无锡 214122;江南大学物联网工程学院 至善学院,江苏 无锡 214122;江南大学物联网工程学院 至善学院,江苏 无锡 214122
【正文语种】中 文
【中图分类】TP274
随着人口剧增以及社会的发展，医院的医患比大大减小，医护工作者的工作量与日俱增。由于患者数量过多，导致部分患者输液时的安全无法得到保障，护士的工作效率有待提高。近年来，大医院已开始借助智慧医疗系统来提高工作效率，《以信息化为载体的智能输液监视器应用》一文的系统是将输液是否完成的信息传送至护士站，免去患者自己按铃的麻烦，但其仍未能解决滴速异常、输液处针位移动等问题。据此，我们通过实地调研、网络查阅文献、请教导师等，运用C51单片机、传感器、ZigBee短距离通信技术开发了新型智能输液系统，可以测定滴速、异常自动报警，大大提高医护人员的工作效率。
智能输液系统由上位机（微机）、下位控制机、滴速测定和滴速控制系统、液体保温装置、意外报警装置构成。
2.1 ZigBee技术简介
钢结构连廊
ZigBee（IEEE802.15.4）技术是一种短距离无线通讯技术，在2.4 GHz波段工作。其巨大的网络容量允许其与254个节点联网，适用于工业监控、传感器网络、安全系统的无线传输工作等。此外，ZigBee技术功耗较低，限制了其较低的极限数据吞吐量。但该技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点，非常适合用作本项目的无线传输方式[1,2]。
2.2 传输系统数据发送端的设计
本系统的无线数据传输模块由若干个液位传感器节点与一个网络协调器模块构成。各传感器节点采集数据后，每隔一段时间数据发送模块便通过ZigBee将数据发送到网络协调器，再由协调器将收集到的数据传输至监控室PC或其他监控设备上，更可以通过互联网将再次处理过的数据上传到任意联网的终端进行展示与存档[3,4]。传输系统总体设计如图1所示，无线收发模块流程设计如图2所示。
2.3 传输系统数据接收端的设计web前端性能优化
数据接收端负责数据的接收、处理与展示工作，由监控室PC及附属软件组成，可实现对全部监控节点的可视化管理，包括节点是否入网、滴速显示、输液余量及其他异常情况显示和报警功能。软件可使用C++、Java开发，日后或可研发更多配套软件，使护士及其他管理人员能在手机、平板等移动平台上监控患者的输液情况[5,6]。
该项目输液滴速实时监测系统以单片机为核心，再辅以光电传感器、运算放大器等相关功能电路的硬件结构。具有结构微型化、操作方便灵活等特点[7]。
3.1 红外光电检测技术判定液滴的有无
工装制作
因输液需要在严格控制卫生的情况下进行，所有监测设备都不应接触药液，因此采用非接触式红外光电检测技术。在发射管和接收管之间留适当距离，当无液滴通过时，接收管受光导通，输出为零。当有液滴通过的瞬间，使光线折射，接收管的光通量不足，输出为1。为避免较大误差，我们在液滴管上套半透明的罩子，以减少太阳光、日光灯的干扰[7,8]。液滴光电检测原理图如图3所示。
3.2 通过软件计算药液滴速
可通过相邻两次液体滴落的时间差计算。文中采用STC90型51单片机。由于临床滴速范围为20～180滴/min，即最大滴速为3滴/s，采用的精度为1 ms定时中断。当计数溢出时，进入定时中断进行处理。为避免液滴信号出现漏判、误判的情况，本软件嵌入两个中断子程序，一旦发现有液滴信号溢出，则进入外部中断，定时器溢出，则进入定时器中断，然后对液滴信号及时间参数进行处理，得到所求数据[9]。
3.3 信号处理
点滴速度信号的变化范围大致为每分钟20～180滴，属于低速信号检测。按照实际采样滴速时间，一旦采样时间偏长，采样时间内的滴速变化便难以检测，在对点滴速度进行改变或调整时会出现调整精度差、系统响应时间长等问题，该项目通过锁相环倍频技术[10]对其进行处理。锁相环倍频技术指通过锁相环集成电路和相位比较器引入反馈，随时监控信号的情况并对信号频率进行修正和放大。此举缩短了采样时间，提高了系统的采样速度。锁相环倍频技术如图4所示。
3.4 滴速传输和控制
滴速测量完成后单片机利用ZigBee将数据传送至控制中心进行分析判断，并在液晶电视上显示实时结果。
滴速控制需快速、稳定，我们通过以下两种方式调节滴速：
（1）利用下位机的步进电动机带动储液瓶上下移动从而调整滴速，偏快则下移，偏慢则上移。
（2）考虑到储液瓶液位到零刻度时应确保完全关闭输液器，以防止空气进入血管或回流，因而采用控制输液软管夹头松紧即软管夹头平行移动的方法来实现滴速的控制。在输液软管上安装一夹头，该夹头由微型步进电机的正、反转带动传动机构前进或后退，从而通过控制夹头松紧实现对滴速的调控[8,9,11]。
护士可以针对每位患者的情况在系统中设置滴速的上下限值。为保证滴速控制的快速和稳定，该系统采用模糊控制技术，当上位机检测到的输液实时速度与设定值存在偏差时，执行相应的控制算法，通过单片机控制步进电机调节输液软管的松紧来调节输液速度，当输液速度低于下限值时，电机反向转动以放松对输液软管的压力从而增加滴速；当输液的速度高于上限值时，电机正向转动以压紧输液软管从而降低滴速，使之保持在预设范围内。
若调整后仍未达到预设范围，则启动报警装置并将滴速异常的信息传送至护士站液晶显示器及护士的手持终端。
4.1 液位检测电路设计
出于安装方便的考虑，可采用TFK414-CNY70红外线反射接收式传感器，其发射和接收端是一体的。为使用方便，将光电传感器固定在夹子上。为最大限度屏蔽外部干扰信号，在夹子外部贴上黑的遮光胶带并留下一部分用于红外线的接收和发射[12,13]。接收端接收的红外光信号强度因介质（透明液体或空气） 的变化而产生与流速相对应的脉冲信号。传感器输出信号通过一阶低通滤波、运放器放大传送给报警电路。
4.2 液位检测程序
液体检测的软件部分与点滴速度检测程序类似。当滴瓶内液位下降到传感器的检测位以下时（相当于滴斗内液滴经过传感器的情况），传感器输出端会产生高低电平的变化，此信号会通过电路传到 P1.2口，单片机经过对 P1.2口的连续查询确认信号准确后，向报警装置发送报警信号并通过传输系统传送至护士站显示器及护士手持终端[14,15]。
调漆设备5.1 报警装置原理
报警系统采用基于ZigBee（IEEE802.15.4）协议的无线网络覆盖，实现病房输液监护的无线化[16]，采用声光报警方式报警。报警电路位于患者病床一侧，接入发光二极管。控制部分产生阶跃电压信号，串入报警电路。当逻辑“1”出现时，电路工作，二极管变闪烁[17]。系统中添加了病人手动报警功能，如果病人对于输液感到不适（有可能是滴速的原因，也可能是药物反应）可以手动报警，会在检测站及护士客户端上显示。嵌入式输液滴速监护系统在检测站PC端发出蜂鸣并报床位号的同时闪烁。本系统由一个位于护士值班室的监护中心和若干个位于不同病房的监护仪组成，如图5所示。
护士办公室系统运行在 PC 上，是整个系统的监护中心，它具有滴速数据的接收、处理、显示、报警和数据库服务器等多重功能。报警包括声音报警和图像闪烁报警，它们互不干扰。声音报警时，若有多个病床报警，则轮流播放报警的病床号。图像闪烁报警时，若有多个病床报警，则在主界面上各个病床位同时出现图像闪烁。
5.2 报警装置启动
出现下列情况，则报警装置启动：
（1）如果储液瓶液位高度降到了警戒值（离瓶口2～3 cm）时，下位机接收液位检测电路发来的中断请求信号[18]，立即发出声光报警，并发送报警信号；
（2）在超过设定时间内检测不到液滴时，则发出针头堵塞或药液滴完的报警信号；
（3）滴速经调整后仍然异常，则启动报警装置。
智能输液系统可以实时监测每个病床病人的输液情况，并对输液中的异常情况（如针头堵塞、药液滴完、速度过快等）发出报警，还可以根据护士设定参数，自动精确调节和监测输液速度。输液速度借助ZigBee无线通信技术传输至护士站和护士手持客户端，安全省心，可一定程度上把医护人员从繁琐的劳动中解放出来，提高工作效率，缓解医患比低的问题。今后，患者可以无人陪护输液，无需担心睡着，尤其可以解决老年患者就医护理难、护理贵，且护理人员短缺等现实问题，增强了输液的安全性，具有较高的实用价值和经济效益。
本系统输液速度的调节在设定误差的范围内响应快，储液瓶的液位监视报警输出信号可靠、准确，系统性能稳定、使用简便，适合于大多数医疗场所，使用过程中无需任何附加
投入。该系统的使用将大大提高医院的医疗信息化水平，具有广泛的市场前景和积极的社会意义，提高了医院的患者满意度，为医院带来较好的社会效应。但其复杂的结构决定了其具有一定的初期投入成本，造价比较昂贵。且步进电机虽然稳定，但仍然会产生一定的误差。但我们相信，随着技术的发展，成本会逐步降低，系统会更加经济、实用。
【相关文献】
[1]陈杨，吴海燕.基于ZigBee的智能家居实时监控系统的设计[J].电子技术与软件工程， 2015（8）： 181-182.
[2]杨萌，赵亮.基于ZigBee技术的无线传感网络研究[J].电子技术与软件工程， 2015（1）： 34.
导电胶水[3]代小红.基于无线传感器的智能监测输液系统设计[J].压电与声光，2014，36（6）：972-976.
[4]李君羊.智能输液系统的研究与开发[J].中国医疗器械杂志， 2014，38（1）：36-39.
冷却水循环[5]潘小琴，魏鑫，赵玉乐，等.基于ZigBee无线传感器网络的输液监测系统的设计[J].计算机测量与控制， 2014，22（8）：2409-2411.
[6]杨玮，吕科，张栋，等.基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发[J].农业工程学报， 2010，26（3）： 198-202.
[7]叶志良，沈国伟.基于光电传感器的输液滴速实时监测系统[J].传感器世界， 2005，11（12）： 32-33.
[8]李和太，赵新，李新，等.智能输液监控系统的研制[J].沈阳工业大学学报， 2006，28（3）： 318-322.
[9]王中陶，任天平，辛冠希，等.智能输液滴速调节系统[J].微型机与应用， 2015，34（9）：96-98.
[10]陈彦，陈平.基于锁相环技术的液体点滴速度监控系统[J].电子技术， 2004，31（3）：15-18.
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