基于移動微網的智能輸液監護系統設計

劉啟航 周曉莊 李超 趙一凡

摘 要：人工輸液是現代醫療治療主要手段之一，但是存在效率低下，無法及時預警等缺點。本文設計并實現基于移動微網的智能輸液監護系統，該系統由輸液異常檢測部件、數據傳輸網絡、云服務器和APP四部分構成，實現了滴液測速、滴液速度控制、異常報警的功能。通過搭建測試環境，結果表明，該系統測速誤差率僅為0.2%，異常檢測及報警率達到100%，并具有功耗低、使用方便等優點，可以極大提高輸液監護過程的安全性和醫護人員的工作效率。

關鍵詞：智能輸液；移動微網；Zigbee技術；云數據庫

中圖分類號：TP274+2 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

靜脈輸液是臨床醫學中的一種重要的治療手段和醫學監護的一項重要內容[1]，其在各個醫院的醫療工作中被廣泛的應用，據統計每年住院輸液率高達98%[2]。但是大部分醫院的輸液方式都是采用人工監控，效率低下，易引發醫療事故，因此，智能輸液監控技術成為近年來的研究熱點，僅在美國，輸液控制的安全軟件使用率也從2006年的33%上升到現在的98%[3]。目前國內外也有不少智能輸液系統，也可以實現預警功能。日本JMSOT701輸液泵[4]，聲光報警背光彩屏顯示，具有獨特的高達30%可調整度的滴速控制而且獨特的蠕動式泵箱，便于裝拆、清洗。但功耗太大，成本高昂，只能應用于重癥患者監護而難以推廣。國內智能輸液設計以壓電橋式傳感器獲取輸液信息[5]，成本低功耗小數據采集方便，但穩定性差，光線、溫濕度會影響獲取的輸液數據。

本文設計的智能輸液系統采用Zigbee網絡傳輸數據，其多種的休眠模式使得傳統鉛蓄電池可使整個系統工作兩個月以上，而且Zigbee網絡組網迅速，健壯性強。紅外光電傳感技術徹底克服了指狀蠕動泵依賴輸液軟管彈性的缺陷[6]，利用液滴對紅外光的有效反射，使另一端的探頭無法接收到紅外光來觸發傳感器，另外智能手機的APP讓預警更加及時有效。

2 Zigbee及相關技術（Zigbee and correlative technique）

Zigbee傳輸技術是最近提出的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術[7]。主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制而制定的。本文主要采用了TI公司推出的以CC2530為核心的開發板。其以51單片機為內核，共有18個中斷源，對應著不同的中斷向量，在使用中斷源時要申請各自的中斷向量，其主要的流程為：系統初始化、中斷使能、中斷寄存器的配置、中斷觸發和清除中斷標志。上述流程結束后即可采集到相應的數據，此系統由于數據量僅僅為一串字符串，所以采用RFD（Reduced-Function Device）來實現低功耗充分利用資源。CC2530芯片工作時具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。它的工作模式分為主動模式、空閑模式、PM1、PM2和PM3，當中斷標志清除后進入PM3休眠模式，等待下一次的中斷觸發再喚醒。并且運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。在業界內，CC2530結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

3 系統的結構設計（The structure design of system）

該智能輸液系統主要由四部分組成：輸液監控終端、手機端、網關、護士站，其結構圖如圖1所示。

monitoring system

（1）輸液監控終端：終端的紅外光耦模塊主要是采集液滴的數目和計算液滴的速率。當液滴滴下的時候遮住光耦，觸發一次中斷并計數一次，內部定時器啟動并計數5秒，保存液滴數n，計算速率v，如式（1）所示。

（1）

再通過Zigbee網絡將5秒內的液滴數和速率發送給路由。

（2）手機端：病人可以下載相應的安卓端的APP，接入網關提供的Wifi，便可以獲取自己的輸液信息，APP可以對輸液結束和輸液異常等情況進行報警。

（3）網關：Zigbee模塊接收傳感器發送來的數據，通過串口透傳將數據包再發送給Wifi模塊，從而連接外網。

（4）護士站：主要是一臺PC機，它可以接收網關通過Wifi發來的數據包，記錄并監控每個病人的輸液狀態。護士站實時將數據傳輸至本地醫療數據中心，中心將數據錄入個人醫療記錄中。

4 系統功能設計及實現（System function design and

realization）

4.1 智能輸液監控終端

智能輸液終端包含數據采集裝置和數據傳輸裝置，它負責數據采集，并向上一層傳輸數據。智能輸液終端的核心是滴液測速準確及穩定，為此我們采用10mm凹槽式紅外光耦，把光發射器和接收器面對面地裝在一個槽的兩側。發光器能發出紅外光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當液滴從槽中通過時，紅外光被反射，接收器無法接收到紅外光，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷負載電流，從而完成一次控制動作，產生一次中斷。

傳感器連接的是Zigbee通信模塊，當中斷觸發時，執行中斷函數，將液滴數量增加1，并每經過五秒則向Zigbee路由器進行點播，告知該節點輸液情況。輸液結束后可手動關閉傳感器上的Zigbee模塊，若未關閉，傳感器超過10秒未接收到數據，系統通過休眠定時器進入PM3休眠狀態等待下一次的中斷喚醒。

4.2 Zigbee網絡及路由規劃

Zigbee模塊有增強型8051微控制器和RF收發器，看門狗和中斷事件可喚醒休眠[8]，其余時間處在休眠狀態降低功耗。在使用Zstack協議棧編程的時候，所走的流程圖如圖2所示[9]。數據包包括數據類型、數據長度和傳播方式，數據為間歇性數據。Zigbee網絡采用星形形式，由終端節點、路由節點、網關組成，通信協議格式如表1所示。

終端節點內部P1.1腳連接LED指示燈D1，上電燈亮表明組網成功，采集數據完成，向路由發送請求，路由接收數據后再將數據打包發送給網關解析。網關是實現節點通信關鍵，它由Zigbee和Wifi模塊拼接而成，部分核心偽代碼如下：

Transmit

if serial port

then get port number

configure Kbps Date Check Stop

if port open

convert character string into bit stream

while buff

transmit

exit

Receive：

if serial port

then get port number

configure Kbps Date Check Stop

if port open

while true

receive

Wifi模塊采用的是RF5350芯片，它具有一般家用路由器的功能，內部燒入固件openwrt。Wifi和Zigbee之間通過串口透傳傳遞數據，整個模塊作為房間內每個路由節點的網關，Zigbee模塊建立起網關和終端的數據網絡傳輸距離有限[10]，因而由Wifi網絡將數據上傳給護士站。

4.3 云服務器設計及編程

我們將服務器端架設在云端，它具有很多傳統數據庫不具有的優勢，如錄入方便快捷、數據的管理維護由第三方完成、信息安全可靠等，本地各級醫院將數據傳輸至醫療數據中心，可實時監控各醫院的醫療情況，及時處理突發事件，并將各患者信息錄入并更新，支持多種類型和格式的數據錄入、導出，當數據項需要計算時，數據庫向云計算服務器發送計算請求，患者來醫院再次治療時，各級醫院可以通過姓名或其他身份信息查詢該患者過往的就診記錄，在選擇輸液藥物時，避免有較大反應的藥物。

我們使用NoSQL類型的數據庫mongodb，它在許多場景下可用于替代傳統的關系型數據庫或鍵/值存儲方式，它是一個面向集合的，模式自由的文檔型數據庫。云服務器數據表格式如表2所示。

當醫療科研工作者需要數據時，數據庫可以隨時自動生成統計報表，并進行統計學分析處理。在數據導出時，數據庫建立索引后，可以對數據進行進一步整合、處理，最后將數據可視化，用于科學研究。

4.4 安卓端APP的設計

在輸液室中，用戶連接醫院的Wifi，并下載該APP即可得到自己的實時輸液情況，該APP經過UI設計，實現了友好的交互界面，與室內路由器進行http協議數據傳遞，并通過頁面中進度條顏色指示輸液狀態。當用戶輸液即將完畢時，手機將發出鈴聲提醒患者，當輸液特殊藥水時，APP將告知患者注意事項。該APP具有天氣預報的功能，向中國氣象網服務器發起http請求，患者可以得知輸液室具體的溫濕度情況，當接入掌上醫院后，可植入醫院導航、智能導醫、預約取號、化驗取單、就醫記錄等服務。

5 系統測試（System testing）

（1）測試環境搭建

本系統以250ML的輸液袋進行了實驗，輸液裝置采用莫非氏滴管。Zigbee網絡由TI公司提供的若干塊CC2530開發板構建而成。以操作系統為Windows 7系統的PC作為護士站，整個網絡的結構示意圖如圖3所示。

（2）測試結果

設置三種不同的滴速，進行六次實驗，記錄護士站和手機APP的實驗數據，獲得如表3所示的數據，通過逐差法獲得實際滴速。實驗結果表明，測速的誤差率約為0.2%，異常報警率為100%。

6 結論（Conclusion）

本文介紹了一個以Zigbee通信技術為核心，結合安卓開發的一套智能輸液監控系統。由拓撲結構到相關的硬件、軟件設計給出了相應的解決方案。經過測試結果評估，方案能

有效解決輸液監控系統功耗高、成本高、穩定性差三個技術難點。云端服務器保證了信息錄入快捷且用戶安全性得到了保障。整個系統提高了醫護人員的工作效率，減輕了醫護人員的負擔。

參考文獻（References）

[1] Sutherland A M，Edgar D，Duncan P.International Infusion in Practice—From Cultural Awareness to Cultural Intelligence[J].Hypertension，2015，3（3）：60-85.

[2] 徐光憲，郭琳，陸偉.智能輸液監控系統的設計與實現[J].激光雜志，2014（9）：119-121.

[3] Breland B D.Continuous Quality Improvement Using Intelligent Infusion Pump Data Analysis[J].American Journal of Health-System Pharmacy，2010，67（17）：1446-1455.

[4] 姜遠海.臨床醫學工程技術[M].北京：科學出版社，2009.

[5] 陳章進，姚真平，張建峰.基于ZigBee技術的醫療輸液監護系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（3）：797-800.

[6] 陳曉.基于ZigBee的醫療輸液監控系統的研究[D].河北工業大學，2014.

[7] Sullivan M.Improving Patient Safety with Intelligent Infusion Devices[J].American Journal of Health-System Pharmacy：AJHP：Official Journal of the American Society of Health-System Pharmacists，2010，67（17）：1410-1415.

[8] 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件，2004，21（6）：89-91.

[9] 楊艷，程榮龍，胡偉全.基于Zigbee的無線智能輸液通信模型設計[J].微計算機信息，2012（10）：342-343.

[10] Wei-Ping Z，Ming-Xin L，Huan C.Using MongoDB to Implement Textbook Management System Instead of MySQL[C].Communication Software and Networks（ICCSN），2011 IEEE 3rd International Conference on.IEEE，2011：303-305.

作者簡介：

劉啟航（1996-），男，本科生.研究領域：通信工程.

周曉莊（1996-），男，本科生.研究領域：計算機應用.

李 超（1975-），男，博士，副教授.研究領域：信息安全，

嵌入式.