基于STM32 的智能輸液監測系統設計

劉豪，張玉林，李先，余弦

（宜賓學院 智能制造學部，四川宜賓，644000）

0 引言

隨著醫療設備更新，一些醫院已實現了智能化輸液，但是由于其使用成本高昂，所以有大部分醫院還是依靠老式的輸液方法，需要護士時刻盯著病人進行輸液。本文設計的基于STM32 的智能輸液監控系統在一定程度上可減輕醫護人員的工作壓力，也避免了因為疏忽而導致的醫療事故，可極大地減輕病人、家屬、醫護人員的監測工作量。此智能輸液監控系統結構簡單，操作方便，生產成本低，有利于生產和推廣使用。

1 系統總體方案設計

控制系統總體設計框圖[1]如圖1 所示。該系統以STM32單片機主控電路為核心，其余分為五個主要模塊：容量檢測模塊、滴速監控模塊、數據顯示模塊、無線傳輸模塊、報警模塊。

圖1 系統整體框架

該智能輸液監測系統通過容量檢測模塊對液面進行實時監測，按鍵設置輸液滴速，同時采用滴速監測模塊對輸液滴速進行實時監測。當實際滴速與設置滴速不符時，控制系統通過計算發出指令由舵機控制其轉動，從而控制輸液閥，使藥液滴速與設置藥液滴速相符。主控電路通過對傳感器采集的輸液信息進行處理，將輸液狀態數據實時顯示在數據顯示模塊上，同時此系統通過無線傳輸模塊將該數據實時傳送到手機端APP 進行顯示。如液面低于閾值或病人按下報警按鈕，系統會自動進行報警操作。

2 硬件設計

該智能輸液監測裝置的硬件系統是采用STM32F103C8T6作為主控芯片，由DR-01 液體非接觸液位傳感器、光電槽型光耦傳感器、TFT 彩屏、按鍵、蜂鳴器、ESP8266 無線WiFi模塊等外圍硬件電路組成。整體硬件系統采用的是USB 接口進行供電。

■2.1 主控芯片的選用

此項目選用的主控核心芯片是STM32F103C8T6，STM32 系列處理器是意法半導體公司生產的一種基于ARM 7 架構的32 位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。該款控制芯片因其在醫療器械等領域中的應用廣泛，更加具有學習和實驗研究的價值。

■2.2 藥液容量檢測模塊

藥液容量檢測模塊采用DR-01 非接觸液位傳感器，是一款超高性能的非接觸液位傳感器。其超低功耗、環保物料、穩定可靠、不與液體接觸、體積小、成本低、安裝無需開孔，安裝方便，檢測液體種類多樣。DR-01 液位傳感器檢測液位狀態信息傳輸于主控芯片進行處理，從而實現對輸液容量的實時監測。模塊結構如圖2 所示。

圖2 模塊結構圖

■2.3 滴速監測與控制模塊

該裝置中滴液速度監測模塊采用光電槽型光耦模塊，該模塊是基于紅外對管模塊的紅外傳感器。該傳感器模塊對環境光線適應能力強，具有一對紅外線發射與接收管，發射管通過發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，接收管將接收到來自被反射的紅外光線，從而產生信號經比較器電路處理之后，指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數字信號。該模塊廣泛用于電機轉速檢測、脈沖計數、位置限位等。在該項目中用于液體滴速的監測，并且實時將滴液信息傳輸于主控芯片進行處理。原理如圖3 所示。

圖3 滴速監測模塊原理

流速控制是采用SG90 舵機模塊，舵機[2]是一種位置（角度）伺服的驅動器，能夠實現角度不斷變化和保持。該裝置中選擇SG90 舵機用于控制輸液閥門，從而控制流量大小，通過PWM 脈沖寬度可精確地控制其轉動角度和扭力大小，可做到不破壞輸液閥門也能通過該裝置進行控制?？刂圃砣鐖D4、圖5 所示。

圖4 PWM 脈沖寬度調制

圖5 舵機輸出軸轉角與輸入信號脈沖寬度關系

■2.4 無線傳輸模塊

該項目中無線傳輸模塊采用ESP8266WiFi 模塊，該模塊集成了業界領先的TensilicaL106 超低功耗32 位微型MCU，帶有16 位精簡模式，支持標準的IEEE802.11b/g/n 協議和完整的TCP/IP 協議棧。該裝置通過STM32 單片機與ESP8266 進行串口通信發送AT 指令等信息，使ESP8266 作為TCP 服務端發送此輸液系統的輸液信息給TCP 客戶端，從而實現在移動設備手機端APP 上實時接收顯示輸液系統的數據信息[3]。ESP8266 運用電路如圖6 所示。

圖6 WiFi 運用電路

3 軟件系統設計

該項目采用Keil uCision5 開發環境在C 語言編程環境下進行開發，FlyMcu 進行STM32 程序代碼最終的燒錄。根據該項目要實現的邏輯功能，主要可分為以下幾大板塊，運用STM32 內部定時器對輸液狀態進行實時監測，當輸液滴速與設定的目標滴速不符時，系統會對輸液閥進行松緊控制，直到輸液滴速與設定的目標滴速相符，系統控制輸液閥松緊的檔位將停止不變；系統會實時監測輸液的容量狀態，容量狀態異常時，系統會進行報警操作[4]；系統屏幕上可以顯示輸液滴速與剩余輸液容量等信息；護士手機端APP 可實時接收來自下位機系統的輸液信息；病人可以根據實際情況進行按鍵報警操作；系統總體軟件的設計流程如圖7 所示。

圖7 軟件流程圖

主程序中編寫液體流速控制及數據信息獲取的關鍵邏輯代碼程序，如下所示。

4 系統與功能測試

首先檢測各個模塊線路是否接好，檢查發現無誤之后，使用杜邦線將各個模塊連接起來，對系統整體硬件進行調試檢查，同時用萬用表、示波器等設備進行測量各個模塊的工作參數是否正常。萬用表分別測試單片機的供電電壓是否為3.3V 工作電壓，舵機的工作電壓是否在5V～6V 工作電壓內，非接觸液位傳感器的工作電壓是否在3V～5V 工作電壓內，滴液流速監測模塊的工作電壓是否在3.3V～5V工作范圍內，并且用示波器測試舵機信號輸入線的PWM 波形是否輸入正常，所有模塊測試正常工作后，進行整體系統電路測試。系統電路原理如圖8 所示。

圖8 系統電路原理圖

使用FlyMcu 對STM32 進行串口程序燒寫，程序燒寫成功后，系統上電初始化，初始化成功后，舵機模塊經PWM 調制波驅動后轉動到初始轉向角；光電槽型光耦模塊對反射回的紅外光線進行處理后，再輸出數字信號傳給單片機；DR-01 非接觸液位傳感器將監測到的液位信息轉換成數字信號輸出傳給單片機；TFT 彩屏顯示相應數據。

通過按鍵進行容量和滴速的設置，設置完成后進行系統測試，根據各模塊在屏幕上顯示的參數和實際的工作狀態，在Keil uCision5 開發平臺進行反復調試燒寫程序代碼，直到系統正常工作后，進行功能測試，記錄系統在不同條件下功能測試的結果。

功能測試結果如下：輸液系統正常進行工作且滴速正常時，舵機控制的檔位不變，如圖9 所示。滴速高于設置滴速時，舵機控制的檔位增加，如圖10 所示。滴速低于設置滴速時，舵機控制的檔位減小，如圖11 所示。當系統沒檢查到液位時，會進行報警，并且在TFT 彩屏上顯示液位偏低，如圖12 所示。

圖9 滴速正常

圖10 滴速過快

圖11 滴速過慢

圖12 液位偏低

5 結束語

本文基于STM32設計的智能輸液監控系統通過滴液監測傳感器、舵機、TFT 彩屏等模塊可實時監測并顯示病人的輸液狀態，并可根據實際情況對輸液狀態進行調節。多次的測試結果表明，此系統設計裝置可以使病人有更好的醫療體驗，并且能有效減輕醫護人員的工作負擔，因此本產品有望得到廣泛的推廣應用。