單片機(jī)測控系統(tǒng)在醫(yī)療護(hù)理中的應(yīng)用研究

王衍森

（青島市第五人民醫(yī)院，山東 青島 266002）

將單片機(jī)測控系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)院護(hù)理工作中，可以解決護(hù)理中的人工失誤，確保病人的安全。并且該系統(tǒng)成本低，操作方便快捷，還有利于提高醫(yī)院護(hù)理水平，具有很好的利用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要由智能控制裝置（下位機(jī)）、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺（上位機(jī)）三部分組成。（1）智能控制裝置通過智能按鍵預(yù)設(shè)點(diǎn)滴的流速，并通過紅外發(fā)射接收裝置對點(diǎn)滴的流速進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)點(diǎn)滴的實(shí)際流速和預(yù)設(shè)流速出現(xiàn)較大的差異時，監(jiān)控系統(tǒng)會利用步進(jìn)電機(jī)裝置將流速進(jìn)行自動調(diào)整，使其與設(shè)定流速相匹配；（2）智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)還對輸液瓶中的液體水平位置進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)液位明顯低于預(yù)設(shè)的警戒線時，監(jiān)控系統(tǒng)會通過聲光報(bào)警的方式吸引醫(yī)護(hù)人員注意。與此同時，系統(tǒng)還會向遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺發(fā)出信號，提醒醫(yī)護(hù)人員及時更換液體。該智能系統(tǒng)還會將需要更換液體的病床具體位置標(biāo)出。醫(yī)務(wù)人員在接到報(bào)警提醒以后，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺發(fā)出指令，利用步進(jìn)電機(jī)裝置暫停輸液。總之，智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)利用無線傳輸模塊將各個病房與總站監(jiān)控相連，實(shí)施數(shù)據(jù)通訊。總站監(jiān)控器通過PC 端和USB 接口的連接，實(shí)現(xiàn)通信功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能輸液監(jiān)控裝置是系統(tǒng)的硬件支撐。它由主控單元、流速檢測電路、液位監(jiān)測電路、步進(jìn)電機(jī)裝置、聲光報(bào)警、無線傳輸模塊、按鍵電路、顯示電路等組成。其硬件電路包括PC 機(jī)、總站監(jiān)控器、USB 適配器和無線傳輸模塊。

2.1 輸液流速和液位監(jiān)測電路

（1）該系統(tǒng)采用紅外發(fā)射接受裝置來實(shí)現(xiàn)對輸液的測控，避免電子元件直接接觸輸液液體。本系統(tǒng)的紅外發(fā)射接收裝置，采用將紅外發(fā)光二極管和TFMS5380 放在滴斗兩側(cè)，液體從中間流過。當(dāng)液體持續(xù)流過時，液體對紅外光形成反射，同時吸收了較多的紅外光，TFMS5380 中的光電管收到的光強(qiáng)較弱，其三腳輸出高電平，傳遞到STM32F103X 單片機(jī)的P1.0 端口；當(dāng)沒有液體流過時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光缺少了液體的阻擋和反射，會使TFMS5380 的光電管接收到較多的紅外光，會發(fā)出較強(qiáng)的光電流。TFMS5380 的3腳輸出低電平，傳遞給STM32F103X 單片機(jī)的P1.0 端口；通過這樣的測速方式，STM32F103X 單片機(jī)通過對液體每秒的流速進(jìn)行測算，將結(jié)果傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

（2）對輸液瓶的液位進(jìn)行測控時，當(dāng)液位降到警戒線以下，紅外光由于缺少液體的遮擋，全部照射到紅外接收裝置上，TFMS5380 的3腳產(chǎn)生電壓跳變，發(fā)出聲光報(bào)警并向遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺發(fā)出信號，標(biāo)明具體位置，對醫(yī)護(hù)人員作出換藥提醒。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)裝置和驅(qū)動電路的主要職責(zé)是，對輸液液體流速進(jìn)行控制，收到指令后執(zhí)行關(guān)閉任務(wù)。該工作原理是，將STM32F103X 單片機(jī)作為控制芯片，把按鍵電路輸入的液體流速預(yù)設(shè)值傳送到單片機(jī)，單片機(jī)會根據(jù)液體實(shí)際流速和測控的流速對比，來指揮電機(jī)驅(qū)動電路的工作。步進(jìn)電機(jī)裝置分為正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、繼續(xù)和暫停5種工作狀態(tài)，會按照監(jiān)控系統(tǒng)對液體流速的測控自動調(diào)節(jié)流速。電機(jī)驅(qū)動電路選用L298N，內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動電路。它是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，里面有兩個H 橋的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器。其內(nèi)部H 橋驅(qū)動電路工作原理見圖1。

圖1 電機(jī)驅(qū)動電路工作原理

該電機(jī)驅(qū)動電路同一側(cè)的兩個晶體管不能同時導(dǎo)通。T1、T4 導(dǎo)通，T2、T3 停止，電機(jī)正流進(jìn)入T4，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)T2、T3 導(dǎo)通，T1、T4 停止，電流反轉(zhuǎn)；當(dāng)T1 和T3 或T2和T4 同時導(dǎo)通時，電機(jī)處于制動（剎車）狀態(tài)。

2.3 無線傳輸模塊

智能輸液監(jiān)控裝置系統(tǒng)通過無線傳輸模塊，完成了預(yù)設(shè)流速、實(shí)測流速、液位、緊急情況等信息到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的傳輸。醫(yī)護(hù)人員通過對這些數(shù)據(jù)的查看和分析就可以對每個患者的輸液情況進(jìn)行了解，并提供相應(yīng)的護(hù)理。在收到液體低于警戒線的報(bào)警信號時，醫(yī)護(hù)人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺發(fā)出斷液的指令。這一指令是通過無線傳輸模塊傳送到STM32F103X 單片機(jī)，控制步進(jìn)電擊裝置關(guān)閉輸液程序。該系統(tǒng)選用了2 塊ESP8266 無線模塊，其中一塊與STM32F103X單片機(jī)的串口連接作為Client 端；另一塊和總站監(jiān)控器的串口連接作為Server 端，保證上下位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。選用ESP8266 的原因，是因?yàn)樗哂袕?qiáng)大的傳輸功能，支持softAP 模式、station 模式并能夠兼容。通過它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)拓展，也就是可以用一個Server 端同時監(jiān)控多個Client 端，實(shí)現(xiàn)總站和分站之間的溝通。

2.4 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路主要是用于輸液瓶液體用光的預(yù)警。通過預(yù)設(shè)輸液瓶液位警戒線，當(dāng)液位達(dá)到警戒線以下時，紅外光沒有了液體的遮擋，光線會直接照射到紅外線接收裝置上，TFMS5380 的三腳產(chǎn)生電壓變跳，將信號傳送到下位機(jī)的STM32F103X 單片機(jī)，單片機(jī)P2.3 端口輸出高電平，傳送到聲光報(bào)警電路中NE555 中，引發(fā)蜂鳴器報(bào)警。同時，發(fā)光二極管會發(fā)出發(fā)光報(bào)警。這就是聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)原理（如圖2）。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，包括智能輸液監(jiān)控裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺兩部分。智能輸液監(jiān)控裝置的軟件設(shè)計(jì)，利用了C 語言編程技術(shù)，PC 上位機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺則選用C#語言技術(shù)。智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)軟件，主要負(fù)責(zé)輸液數(shù)據(jù)采集、通訊，例如預(yù)設(shè)流速、流速監(jiān)控、液位監(jiān)測、報(bào)警等。系統(tǒng)軟件在應(yīng)用時，首先開機(jī)完成初始化，接著對鍵盤輸入狀態(tài)進(jìn)行查詢，對液體流速進(jìn)行測量，啟動流速測量子程序，顯示流速；接著根據(jù)預(yù)設(shè)流速和實(shí)測流速的數(shù)值差，計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，同時對流速進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。控制軟件在液滴流過時，觸發(fā)中斷程序，以此來計(jì)算流速并不斷地更新顯示新的流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時，對液體液位進(jìn)行監(jiān)測，在低于警戒線以下時，會觸發(fā)報(bào)警裝置。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺系統(tǒng)的管理界面包括輸液流速實(shí)施監(jiān)控區(qū)、剩余量監(jiān)控區(qū)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、患者個人信息等多個內(nèi)容。輸液流速實(shí)時監(jiān)控區(qū)對設(shè)定和實(shí)測流速進(jìn)行顯示，方便醫(yī)護(hù)人員對患者的輸液情況進(jìn)行及時的了解。同時，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)配有大容量的數(shù)據(jù)庫，其中涵蓋了患者信息、病因、病情、用藥注意事項(xiàng)和診斷說明等多個翔實(shí)的內(nèi)容。系統(tǒng)還兼有報(bào)警和信息查詢功能，界面設(shè)計(jì)簡潔、使用，方便操作。比如，當(dāng)某位患者的輸液液位低于警戒線之下時，系統(tǒng)會觸發(fā)報(bào)警，患者既可以手動斷液，并按下呼叫按鈕，求助遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺；醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)系統(tǒng)界面彈出的窗口提醒，發(fā)出遠(yuǎn)程斷液指令，及時更換液體。

圖2 聲光報(bào)警電路

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用了嵌入式STM32 核心技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于操作。可以實(shí)現(xiàn)輸液的自動測控，為患者的安全性提供了保證，有效地避免了一些醫(yī)療事故的發(fā)生。保證了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，也提高了醫(yī)院護(hù)理和管理的自動化水平。通過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)較穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，具有一定的使用價(jià)值，可以被廣泛應(yīng)用到醫(yī)院護(hù)理工作中。