智能輸液監控系統設計

王洋+黃其維

摘要：為幫助醫院護士人員提高輸液的工作效率，實現病人在輸液時的無人值守，設計了一款基于電子稱原理的智能輸液監控系統。該系統以K60單片機（微控制器）為控制核心，以自帶放大器的24 位高精度A/D轉換芯片 HX711，加上應變電阻構成電子稱，以無線NRF24L01與單片機完成組網通訊，上位機程序用C#（C Sharp）語言開發完成。該設計能夠完成在電腦端實時顯示輸液進度，并且顯示對應的病床號，對輸液進度也能提前預警。經過測試證明，該系統安全可靠，方便實用。

關鍵詞：微控制器；無線通信；上位機；智能輸液；液晶顯示器

靜脈輸液是臨床醫學中常用的輔助醫療手段。目前，對靜脈輸液的監控普遍采用人工方式，都是由護士陪護，如無陪護或醫護人員及時換藥或拔針頭，將會出現空氣進入血管內形空氣塞、凝血堵針頭等情況。輕則延誤治療，重則發生嚴重醫療事故。目前，臨床上使用的國內外生產的自動輸液器大多是蠕動泵式單立輸液器，一般只有堵液報警和總量完成報警等功能，不具有集中監控單位輸液量的功能；部分醫院采用以病人求救線作為CAN總線實現分布式輸液監控系統設計取得了一定的成效，但絕大多數中小醫院特別是社區醫院缺少此類設備。因此，本文針對這些問題，基于單片機技術、無線網絡傳輸技術和上位機技術，研究設計了一套分布式智能輸液監控系統，系統能夠實現現場按鍵或上位PC機對點滴輸液余量的自動檢測控制，利用單片機實時調整液滴速度和LCD顯示屏實時顯示藥液余量，實時監測儲液瓶藥的余量，當液位超過警戒值時，本地和醫護辦公室同時報警并顯示床位號。

1系統的總體設計方案

根據設計要求分析，每個子節點系統大致分為：主控模塊、按鍵模塊、電源模塊、數據采集模塊、顯示模塊、無線模塊、控制模塊。系統結構圖如圖1.1 所示。

本系統通過電阻應變片傳感器完成點滴瓶內液體重量的采集，由單片機MK60DN512Z為核心組成的現場監控完成對采集數據的分析與處理?？砂凑赵O定值要求實時控制步進電機以保證滴液速度，若瓶內液位低于設定值時，自動啟動報警，提示醫護人員換藥或拔針。各監控現場控制器通過無線傳輸芯片NRF24L01實現與控制總站的數據通信，控制總站核心控制器MK60DN512Z與上位機通過USB接口連接。上位機采用普通PC機，通過USB通信適配器與工作總站相連，進行信息交換，負責進行整個系統的監視管理。工作總站控制器接收上位PC機的各種操作控制命令和設定參數；各現場控制器實時采集各模擬量輸入通道值，控制信號。上位PC機實時監視各點滴吊瓶內藥液余量，并可進行現場余量的實時監控。系統以MK60DN512Z單片機為監控節點控制器，將其與現場滴液余量檢測、報警電路、顯示電路、按鍵電路等相連，構成監控網絡中的一個智能節點；并控制由NRF24L01無線收發芯片及外圍電路構成的無線通信系統進行數據傳輸，將控制總站與各現場監控節點相聯，實時監控各設備狀態，并可實現監控方案下載更新，無需另外布線，整個系統結構簡單，大大節省了傳統網絡控制系統建設帶來的人力物力的消耗。

2 設計原理

系統現場點滴余量檢測采用電阻應變片傳感器技術實現。將電阻應變片構成全橋電路置于點滴桿上，通過采集全橋電路的輸出電壓值的大小。電壓值大小的變化即代表點滴重量的變化。因此，通過檢測輸出電壓的變化，即可探測出點滴的藥液余量；若系統檢測到的藥液余量小于設定余量時，則通過現場單片機控制器產生報警信號驅動蜂鳴器報警。同時在本設計中，還利用蠕動泵來改變點滴速度，并通過按鍵設定點滴速度的大小，LCD顯示器顯示藥液余量、報警時間等參數。

3 硬件方案設計

智能輸液監控系統設計主要包括現場監控子站、控制總站以及上位PC機三部分組成。其中，監控子站檢測電路等設計是本設計中的重點。故下面僅對系統想常監控子站部分功能模塊進行分析設計。

3.1無線模塊的設計

該無線模塊是系統和單片機與上位機（計算機應用軟件）之間數據交換的橋梁，是系統正常工作必不可少的部分。

3.2電源模塊的設計

系統電源是系統工作必要的一個部分。為了保證控制系統與電子稱模塊的穩定運行，避免模塊之間的互相干擾，在該系統中使用了LM2940-5.0V 穩壓芯片和三個AMS1117-3.3V穩壓芯片對整個系統供電。對于該電源芯片的使用非常簡單，只需要在輸入端輸入大于5V 小于10V 的電壓，輸出端就可以得到5V和3.3V電壓。

3.3顯示模塊的設計

為了讓輸液端也能實時的看到輸液進度，因此采用具有體積小巧，功耗低，操作簡單等特點的TFT顯示屏來顯示輸液進度的相關信息。

3.4按鍵模塊的設計

為了便于護士調整輸液端的零點，以及控制輸液的開始，以及控制病人呼叫醫生等等。

3.5 A/D模塊的設計

為了實現實時監測輸液進度的功能，本設計采用電子稱稱重量的方式來模擬確定輸液進度。電子稱模塊是使用四個應變片構成電橋將電橋的四個連接線接HX711 帶運放的24 位高精度ADC 構成。

3.6 12V升壓模塊設計

電機驅動芯片采用COMS管組成的H橋電路，需要用到12V電源，采用集成芯片升壓，完成電機正反轉驅動。

3.7 上位機方案設計

開發工具基于windows平臺進行開發，開發語言C#（C Sharp），開發環境VS2015，運行與.NET平臺，使用MFC、windows API和自己創建控件進行界面設計，界面主體包括一個主窗體和大量子窗體，功能上主要實現接收顯示NRF24L01模塊獲得的輸液信息。

4 軟件方案設計

系統設計使用到的東西都需要程序來控制，因此需要對各個模塊編寫驅動程序，當需要操作這些模塊只需要調用函數庫里面的函數即可。首先需要進行各個模塊的初始化，如TFT液晶顯示模塊、I/O 口、定時器等。在初始化完成后輸液端就開始檢測是否存在網路節點，有的話則加入，加入之后檢測當前的輸液狀態，如果檢測到正在輸液則檢查輸液進度，然后發送數據到監控端，輸液完成后回到檢測是否正在輸液。而在監控端則查詢是否有網絡加入，如果有網絡加入，則檢測是否正在輸液，如果正在輸液則顯示對應病床號的輸液進度，輸液即將結束就提前報警告知護士人員，輸液完成回到檢測是否正在輸液。

5 系統總結

系統通過采用電阻應變片測量藥液余量的方案：利用電阻應變片采集藥液的重量，從而顯示藥液余量。經過多次實驗驗證。由測試實驗結果可看出，當藥液余量不足2%時則自動報警的時間較為精確。另外，若能將傳感器采值得精確度提高，則系統的調整時間還可能縮短。

智能輸液監控系統可方便地實現多點輸液注射過程中的集中監控與管理，改善了醫護人員的工作條件，減少了醫護人員工作量及監護不當造成的醫療事故，把醫護人員徹底從煩瑣的勞動中解放出來，具有性能穩定、響應速度快、成本低廉、操作簡便等優點，滴速及儲液瓶內液位監視報警輸出信號可靠、準確，具有較高的實用價值和經濟效益，在醫療衛生領域具有廣泛的應用前景。

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