醫院輸液智能監控系統設計

毛天宇 戴艷茹 陳丹

摘要：在護理病人的過程中，時刻關注病人輸液情況是會使患者家屬的感到疲憊，容易造成醫療事故。對此，本文設計了一種醫院輸液智能監控系統。該系統基于單片機技術與無線通訊技術，通過紅外對管檢測液滴流速，通過步進電機控制輸液速度，在利用無限通訊將患者輸液信息上傳到上位機。該系統大大減輕了醫護人員的壓力、減少了靜脈輸液期間醫療事故發生的幾率。

關鍵詞：輸液控制，單片機，無線通訊

1 引言

當下，人口老齡化變得越來越嚴重，隨之而來的醫療壓力與日俱增。在治療過程中，輸液是基本每個患者都要經歷的，特別是病情嚴重的，輸液的時間要更長。長時間、不能停止地關注輸液情況，給陪護人員帶來了很大的壓力，讓他們得不到休息。所以，采用先進的、智能的醫療監控手段來減輕護士以及陪護人員的壓力是必要的。采用這樣的監控手段，還方便了獨自就醫的患者。他們在輸液的時候可以放心地休息，治療效果會更好。

傳統的靜脈注射全憑醫護人員的經驗和觀察來度輸液流速做調整，實際的輸液速度受主觀因素的影響很大，通常情況下是不夠準確的。特別是對于手術中和手術后的及其他特殊病情的患者，這種不規范的輸液方式會造成藥物的浪費，甚至導致病情的惡化。

為了解決以上兩個問題，有必要設計一個造價低，精確度較高，穩定性強的醫院輸液智能監控系統。

2 總體設計方案

整個系統由分為上位機和下位機兩個部分。下位機以AT89C52單片機為核心，上位機軟件由LabVIEW編程完成，上位機與下位機的通訊由NRF24L01無線模塊實現，總體設計如圖1所示。

AT89C52單片機通過光電傳感器測量液滴滴速，通過步進電機控制液體流速。用戶輸入患者信息，開始輸液后，單片機把這些信息上傳給上位機統一管理。下位機設計主要分為鍵盤輸入、數碼管顯示、滴速測量、液位檢測、電機控制及無線通訊六個部分，它們都通過電路設計及C語言編程來實現。PC上位機利用LabVIEW編程實現圖形化控制管理界面，實時監測輸液情況，并實現輸液完成預警，上位機根據收到的數據判斷出需要人工服務先后順序，并顯示在屏幕上。

3 硬件設計

3.1滴速及液位檢測模塊

該模塊利用紅外對管測量液體流速，發生管型號為R204，接收管型號為。將發射管與接收管相對放置，高度為8mm，兩管相距16mm。其電路圖如圖2所示。為了避免外界光的干擾，用黑色膠套包裹住對管頭部，僅露出一小部分保證信號的發射和接收。沒有液體滴落時，接收端的輸出為5V左右的高電平；有液體滴落的時候，由于液滴對光的吸收和散射，接收端的輸出信號會降低到3V左右。通過比較器LM393來調理輸出信號波形，可得到較為理想的方波信號。輸出信號通過7號引腳與單片機的P3.3引腳連接。單片機計算相鄰兩個下降沿的時間即可計算出液體的滴速。液位的檢測原理與滴速的檢測原理類似，它用來檢測液體是否滴完。其電路圖如圖3所示。

3.2電機控制模塊

該模塊實現速度控制的執行機構。采用28BYJ-48型號的步進電機，它的輸入為5V，可直接與單片機共用電源。驅動模塊選用ULN2003，使用該驅動只需將IN1～IN4接口與單片機的I/O連接。通過步進電機對卡夾裝置兩臂張角大小的控制可實現對流速的控制。當檢測到輸液完成后時，電機夾死輸液管。

3.3 顯示模塊

該模塊重要功能是顯示患者編號，藥液滴速，滴速上下限信息。為了降低整個系統的功耗，采用兩位數碼管來顯示各種參數，通過按鍵的配合可以手動切換顯示信息。數碼管顯示模塊選用的是共陰極數碼管，兩個數碼管并排顯示，分別顯示十位與個位。

3.4 鍵盤輸入模塊

下位機的鍵盤用來設置患者的輸液信息，可設置的參數有：預設滴速、患者編號、輸液量。鍵盤包括3個按鍵，包括：設定、+、-。以AT89C52單片機的P3口的高3位用作信息輸入按鍵的I/O口。此外，還設計了復位按鍵。護士更換完輸液袋或者輸液完成后，按下此按鍵即可自動重置。

3.5 無線通訊模塊

該模塊主要用于實現單片機與上位機之間的通訊。單片機將接收到的數據通過發送端無線傳輸至上位機接收端。本系統選用的NRF24L01無線通訊模塊，該模塊的工作頻段為2.400GHz～2.525GHz（默認為2.4GHz），可以有效避免WIFI、藍牙等其他信號的干擾。

4 軟件設計

4.1單片機軟件設計

下位機以AT89C52為核心，使用INTO中斷和定時器T0、T1對光電傳感器轉過來的液滴信號進行計數使用INT1中斷對光電傳感器檢測到的液位信號進行中斷處理。整個程序用C語言編寫，實現了以下功能：（流程圖如圖4所示）

1、接收紅外傳感器信號，并計算液體滴速；

2、在檢測到液體滴完的時候，實現電機鎖死輸液管并報警；

3、鍵盤輸入患者信息、輸液量、輸液速度上下限；

4、發送患者輸液信息給上位機。

4.1單片機軟件設計

上位機接收端通過NRF24L01無線接收模塊及USB轉NRF24L01模塊與PC連接，接收發送端的信號，發送的數據形式為17位字符串及起始位“A0”。

顯示界面采用LabVIEW軟件編程實現。LabVIEW通過串口讀取NRF24L01無線模塊接收到的字符串，通過對字符串的拆分得到用10進制數表示的患者信息并顯示到固定的區域內。上位機的主要功能是實時監測每一個床位輸液的情況：當有患者輸液完畢時，上位機對應的患者的提示燈點亮；當患者輸液異常時，對應報警燈點亮。

5 實驗結果分析

為了驗證該系統滴速測量實際性能，對不同滴速情況進行了實驗。實驗結果如表1所示。可以看出，無論快速輸液還是慢速輸液，測得的速度誤差基本都在2滴/分鐘以內，滿足一般輸液的要求。

LabVIEW顯示界面如圖5所示。可以正常顯示所需信息，并能夠實現異常狀況下的報警。

6 總結

本文設計了一種醫院輸液監控管理系統。實現了輸液的自動監測與控制，可以實時檢測患者的輸液速度，測量誤差在，可以滿足大多數的輸液要求。上位機的顯示界面簡潔，方便醫護人員瀏覽患者輸液情況，可及時提醒換藥及報警。但是，在速度控制方面精度不夠理想，需要加以提高。總的來講，該系統可以減輕病人家屬及醫院護理人員的負擔，提高醫院輸液系統的安全性、醫護人員工作效率，也提高了醫院護理和管理的自動化與網絡化水平。

參考文獻：

[1]陸志穎，陳明霞，黎洪甫，李順艷.基于STC89C52的智能輸液監控系統[J].中國科技信息，2019（01）：64-66+13.

[2]張閃銘，李陽陽，沈晨，閆天賜，陳賢素，沈艷霞.基于藍牙無線技術的智能醫療輸液平臺的設計[J].物聯網技術，2017，7（10）：102-105.

[3]胡應坤，趙文龍，鄭俊鵬，全頌華.基于ZigBee無線遠程監控的點滴輸液控制系統[J].電子世界，2017（05）：135-136.

[4]歐陽威，鐘冬秀，謝宗越.便攜式聲光輸液報警器的研制與應用[J].贛南醫學院學報，2017，37（02）：296-297.

[5]王洋，黃其維.智能輸液實時監控系統設計[J].電子技術與軟件工程，2017（21）：92.

[6]傅俊楠.智能靜脈輸液滴速控制系統設計[D].華南理工大學，2013.

[7]吳相甫.基于嵌入式平臺的智能醫療輸液系統的設計[D].中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所），2013.

[8]陳俊梅，龔勇，楊萬秋，呂賢婷，周晉陽.醫用輸液器智能控制裝置的改進與實現[J].醫療裝備，2016，29（16）：32-33.

*基金項目：本文系大學生科研立項目醫院輸液智能監控系統設計研究成果，項目編號：17A188