基于Arduino控制器的點滴流速監(jiān)測及報警系統(tǒng)研究

馬國成　海正虎　馬富山　楊小虎　何勇　田軍

摘要：文章設(shè)計了一款點滴流速監(jiān)測控制及報警系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對輸液總時間的預(yù)測、輸液流速的測量與控制，還實現(xiàn)了對即將完成輸液時間的報警、流速異常的報警、輸液過程意外情況的人工報警以及對輸液信息的遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

關(guān)鍵詞：Arduino控制器；點滴流速監(jiān)測及報警系統(tǒng)；流速測量；稱重；輸液監(jiān)測 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2017）01-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.003

在臨床醫(yī)學(xué)中，靜脈輸液成為治療眾多疾病的基本手段。隨著科技的發(fā)展和信息化水平的提高，醫(yī)療器械設(shè)備的數(shù)字化和智能化是當(dāng)前和今后醫(yī)療衛(wèi)生技術(shù)發(fā)展的重點。在靜脈輸液方面，由于輸液精確性和安全性的需求，國內(nèi)外在靜脈輸液智能化方面一直尋求突破，輸液泵的發(fā)明就解決了這一問題。它是一種能夠準(zhǔn)確控制輸液滴數(shù)或輸液流速，保證藥物能夠速度均勻、藥量準(zhǔn)確并且安全地進(jìn)入病人體內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備。但由于采用專用耗材，所以價格十分昂貴。以德國貝朗的輸液泵為例，零購價格大約在每臺20000～25000元，批量投標(biāo)價格大約在18000～20000元每臺，所以在醫(yī)院的普遍推廣性不容樂觀。在輸液遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，國內(nèi)也有一定的嘗試，但在患者端僅僅采用了重力傳感器達(dá)到報警的功能，沒有很好的時間預(yù)測和速度控制，其次在醫(yī)護(hù)站的上位機(jī)也沒有掛靠醫(yī)院的第三方軟件，沒能與醫(yī)院的系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，在手機(jī)移動式監(jiān)控方面更是一片空白。通過現(xiàn)有的國內(nèi)外先進(jìn)精確測量技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和控制技術(shù)等，輔加一些人性化的部分，設(shè)計一款點滴流速監(jiān)測控制及報警系統(tǒng)。一方面，該系統(tǒng)可實現(xiàn)醫(yī)護(hù)端對患者輸液信息的遠(yuǎn)程實時監(jiān)視與控制；另一方面，陪護(hù)人員可以通過手機(jī)獲取輸液情況，極大地減輕了陪護(hù)人員的壓力，為提高醫(yī)療體系的智能化和數(shù)字化提供了可行的一步。

1 總體設(shè)計

此系統(tǒng)以Arduino UNO R3微控制器為核心，由流速測量與控制、稱重與時間預(yù)測、通訊、報警以及OLED顯示等模塊組成。系統(tǒng)在開機(jī)后進(jìn)行初始化，由醫(yī)護(hù)人員輸入流速信息，流速傳感器可以實時測量出點滴流速，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。高精度稱重傳感器可以實時測量液體質(zhì)量，結(jié)合millis函數(shù)，通過算法實時預(yù)估完成輸液時間。當(dāng)出現(xiàn)流速異常、患者不適以及輸液即將完成時可以進(jìn)行報警。醫(yī)護(hù)端與患者端通過ESP8266無線模塊，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸，從而醫(yī)護(hù)人員實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時家屬也可以通過手機(jī)獲取輸液情況。

2 硬件設(shè)計

2.1 Arduino UNO R3微控制器

Arduino UNO R3微控制器是系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要用于對各傳感器信息的處理，以及控制系統(tǒng)各模塊有序的工作。控制微處理器采用ATmega328P-AU處理器，具有強大的應(yīng)用能力。其系統(tǒng)嵌入了A/D轉(zhuǎn)化模塊，擁有PWM接口、數(shù)字接口、模擬輸入接口、串口通信接口等多種接口，可搭載多種類型的外設(shè)，使用非常方便，大大提高了硬件電路的效率。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由流速傳感器和稱重傳感器組成，分別用于測量輸液時的藥液的流速，以及稱量輸液瓶的質(zhì)量，包括輸液瓶的瓶重及藥液的質(zhì)量。其中，流速傳感器有VCC、GND、OUT三個接口，其OUT接口與控制器的7數(shù)字接口相連，其采集的信號以高低電平的方式輸出。稱重傳感器接24位A/D轉(zhuǎn)換模塊HX711，其測量精度可達(dá)到0.1g。HX711有VCC、GND、SCK、DT四個接口，其中SCK、DT分別接單片機(jī)的5、6數(shù)字接口，從而傳輸其采集的數(shù)據(jù)。原理圖見圖2。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊包括由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械滑輪組成的控速模塊以及報警模塊。步進(jìn)電機(jī)是四相五線的5V電機(jī)，由ULN2003驅(qū)動，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強等特點，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。ULN2003上有VCC、GND以及四個數(shù)字輸入接口，對應(yīng)接入單片機(jī)的8～11數(shù)字接口。其原理圖見圖3。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊由通訊模塊以及PC、手機(jī)等組成，用于對輸液信息的遠(yuǎn)程傳輸。通訊模塊采用ESP8266 Wi-Fi模塊實現(xiàn)醫(yī)護(hù)端與患者端數(shù)據(jù)的雙向傳輸。患者端采用ESP8266 Wi-Fi模塊，經(jīng)路由器將輸液信息傳輸至云服務(wù)器供醫(yī)護(hù)端和家屬端監(jiān)視，同時患者端和醫(yī)護(hù)端提供雙向傳輸信息的功能，即醫(yī)護(hù)端可以遠(yuǎn)程控制患者輸液信息。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖4：

3 工作原理

3.1 流速測量及控速

流速傳感器利用紅外發(fā)射接收透射管。紅外LED發(fā)出的紅外光透過滴斗由光敏二極管接收，當(dāng)有液滴滴下時，接收到的信號會減弱，產(chǎn)生脈沖信號，通過三極管開關(guān)電路，將脈沖信號送入單片機(jī)。單片機(jī)將接收到的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，獲得單位時間的脈沖計數(shù)信號，即為單位時間液滴的數(shù)量，則流速可表示為脈沖計數(shù)信

號/時間，單位用“滴/分鐘”表示。

通過對步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，改變機(jī)械滑輪對輸液管的擠壓程度，以達(dá)到對輸液流速的控制，且步進(jìn)電機(jī)與流速傳感器配合使用，采用閉環(huán)控制的方式，對流速的控制有相對較高的準(zhǔn)確度。

3.2 稱重及時間預(yù)測

稱重傳感器將電阻應(yīng)變計粘貼在彈性敏感元件上，以適當(dāng)?shù)姆绞浇M成電橋，將物體的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電信號。稱重傳感器測量輸液瓶的總質(zhì)量，然后減去由手動輸入鍵盤或醫(yī)護(hù)端輸入的瓶子質(zhì)量，得到輸液瓶的凈質(zhì)量。

通過計算分析稱重傳感器，流速傳感器采集的信息，以達(dá)到對輸液完成時間的預(yù)測。設(shè)稱重傳感器測得開始時輸液瓶的總質(zhì)量為m1，間隔單位時間后再次稱得輸液瓶的質(zhì)量為m2，采集流速傳感器單位時間的滴數(shù)為n滴，輸液瓶的凈質(zhì)量由初始質(zhì)量計算得到，則可得到輸液完成總時間為，若此時的流速變?yōu)閚1，則輸液

完成總時間，類似的可得到剩余時

間的計算公式，式中m1、

n1分別為當(dāng)前的輸液瓶凈質(zhì)量和輸液流速。

3.3 報警及監(jiān)視控制

當(dāng)預(yù)測輸液剩余時間小于預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)向外界發(fā)出報警信息（包括遠(yuǎn)程向醫(yī)護(hù)站報警）；當(dāng)流速低于或高于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)自動嘗試升高或降低流速，并且向外界發(fā)出報警信息（包括遠(yuǎn)程向醫(yī)護(hù)站報警）；系統(tǒng)還提供了人工手動報警按鈕，當(dāng)輸液過程中患者出現(xiàn)輸液不舒服或其他突發(fā)情況時，可通過此按鈕來聯(lián)系醫(yī)護(hù)人員。

醫(yī)護(hù)端的監(jiān)視與控制主要用于在醫(yī)護(hù)端遠(yuǎn)程對患者輸液信息的監(jiān)視與控制。在醫(yī)護(hù)端開發(fā)相關(guān)上位機(jī)或可搭載在其他監(jiān)視軟件的函數(shù)庫，醫(yī)護(hù)端通過云服務(wù)器獲取患者的輸液信息（信息包括當(dāng)前藥液質(zhì)量、輸液速度以及預(yù)計輸液完成所需的時間），實現(xiàn)對輸液信息的監(jiān)視，或通過云服務(wù)器將信息輸送至微控制器（信息包括輸液瓶的質(zhì)量、流速大小），實現(xiàn)對輸液信息的控制，在醫(yī)護(hù)端顯示報警信息（包括即將完成輸液時間的報警、流速異常的報警以及輸液過程意外情況的人工報警的信息），并且對患者房號及床位號進(jìn)行編號，可以實現(xiàn)醫(yī)護(hù)端對多位患者輸液信息的監(jiān)視與控制。

患者家屬監(jiān)視模塊主要用于遠(yuǎn)程給患者家屬提供患者輸液信息。患者家屬可通過微信掃碼等方式獲取患者的輸液信息，實時地對患者輸液信息進(jìn)行監(jiān)視。

4 結(jié)語

此系統(tǒng)有效地結(jié)合了流速的實時監(jiān)測與閉環(huán)控制、輸液時間的預(yù)判和報警等多個功能單元，使該輸液輔助設(shè)備更加智能化和實用且成本較低，適合于大規(guī)模推廣應(yīng)用。同時，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)醫(yī)護(hù)站對患者輸液情況的實時監(jiān)視和智能化管理，提升了醫(yī)院的信息化服務(wù)水平，降低了醫(yī)護(hù)人員的勞動強度，而且也減輕了陪護(hù)人員的心理負(fù)擔(dān)。

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作者簡介：馬國成（1994-），男（回族），寧夏固原人，西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：自動化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）