智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁雨鑫 何俊杰 劉亞夫 向誠 袁清

摘 要

設(shè)計(jì)一款一主機(jī)、多從機(jī)結(jié)構(gòu)的智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。主機(jī)采用STM3 2F4+FPGA架構(gòu)，由信息采集系統(tǒng)、以FPGA為核心的VGA驅(qū)動顯示系統(tǒng)及外設(shè)模塊構(gòu)成。從機(jī)以STM32F1為核心，包括驅(qū)動檢測系統(tǒng)、Zigbee無線傳輸模塊以及LCD顯示系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，護(hù)士只需要一次性將滴液瓶掛在系統(tǒng)分機(jī)上，只需通過大屏顯示器實(shí)時地查看和監(jiān)控多個站點(diǎn)的輸液數(shù)據(jù)等，能有效避免傳統(tǒng)輸液系統(tǒng)因陪護(hù)人或患者的人為疏忽而導(dǎo)致輸液滴完未能及時換液瓶而帶來的血液倒吸或空氣輸入血管的現(xiàn)象，消除潛在的安全隱患。

關(guān)鍵詞

物聯(lián)網(wǎng);輸液監(jiān)控;STM32;ZigBee;傳感器檢測

中圖分類號： R197.39 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.046

0 前言

隨著我國老齡化程度的加劇，加之環(huán)境的污染，每天各類醫(yī)院輸液的病人成千上萬，我國已成為“一年百億瓶”的輸液大國。輸液因其時間較長，加之患者在輸液時容易睡覺，需要家人陪護(hù)。雖然現(xiàn)在醫(yī)院都裝有各類按鍵式呼叫輸液系統(tǒng)，但還是經(jīng)常因陪護(hù)人或患者本人的疏忽而導(dǎo)致輸液已滴完卻未能及時換藥瓶而帶來的血液倒吸或空氣輸入血管的現(xiàn)象，給患者帶來新的安全隱患。為此，本文設(shè)計(jì)了一款無人陪護(hù)智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用主機(jī)+多從機(jī)結(jié)構(gòu)。其中主控制器通過ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與各個從機(jī)的數(shù)據(jù)交互，將從機(jī)傳回的數(shù)據(jù)通過FPGA驅(qū)動顯示器實(shí)時顯示。為適應(yīng)不同環(huán)境應(yīng)用，主機(jī)部分增設(shè)了以太網(wǎng)通信模塊，以滿足護(hù)士站相隔輸液現(xiàn)場較遠(yuǎn)的場所，反之則使用ZigBee通信。主機(jī)還能通過USB連接鼠標(biāo)或者鍵盤來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過語音模塊實(shí)現(xiàn)對預(yù)警信息的提示。由于系統(tǒng)使用了UCOS-II實(shí)時操作系統(tǒng)以及STemWin圖形操作界面，所需要的內(nèi)存較大，加之系統(tǒng)后期功能升級，增加一片1M的SRAM，其中128M的Nor-Flash用于數(shù)據(jù)的記錄，F(xiàn)PGA驅(qū)動顯示模塊與STM32F407ZGT6通過4線硬件SPI的形式進(jìn)行連接，其中DDR2主要用于顯示界面的緩存，Nor-Flash用于存儲字庫、圖片文件，通過VGA驅(qū)動32寸顯示屏進(jìn)行顯示。主控制器的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

而從控制器通過稱重傳感器、液滴測速模塊等來采集藥瓶的重量、液滴滴速和有無滴落等，并通過EEPROM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的存儲，LCD觸摸顯示屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，以及通過步進(jìn)電機(jī)帶動偏心輪實(shí)現(xiàn)對液滴下滴速度的調(diào)節(jié)。每一個分機(jī)都通過zigbee或者以太網(wǎng)和主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。從控制器的設(shè)計(jì)框圖如2所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該智能輸液系統(tǒng)的硬件主要由主分系統(tǒng)控制器模塊、主控制器外圍電路、電源模塊、語音模塊、ZigBee模塊、DS3231時鐘電路、硬件看門狗電路、以太網(wǎng)通信模塊、藥滴滴速檢測模塊以及稱重模塊等構(gòu)成。限于篇幅，本文僅就主從系統(tǒng)控制器、電源、主控制器外圍電路、ZigBee及藥滴滴速檢測等幾個模塊做介紹。

2.1 系統(tǒng)控制器電路設(shè)計(jì)

雖然主、從控制器分別位于不同的PCB板上，但兩者的設(shè)計(jì)大同小異，下面僅介紹主控制器電路設(shè)計(jì)。

主機(jī)系統(tǒng)主要通過串口來控制ZigBee無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與各個分機(jī)的數(shù)據(jù)交互，并通過SPI總線與FPGA驅(qū)動顯示模塊通信，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)通過VGA接口在大屏LCD上實(shí)時顯示。因此主控制器選用的STM32至少需要有一個串口以及一個四線硬件SPI接口。由于主機(jī)系統(tǒng)需要移植UCOS-II實(shí)時操作系統(tǒng)以及STemWin圖形操作界面，所占內(nèi)存較大。為此選用STM 32F407ZGT6處理器，該處理器是一款以ARM CortexTM-M4為內(nèi)核的32位MCU，具有210DMIPS的運(yùn)算處理能力，高達(dá)1MB的FLASH以及192KB的RAM，可以穩(wěn)定運(yùn)行于168MHz，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

主機(jī)控制器、以太網(wǎng)芯片W5500以及ZigBee模塊均通過直流3.3V進(jìn)行供電，而FPGA驅(qū)動顯示模塊使用5V接口供電。因此供電部分電路較為簡單，只需要分5V與3.3V兩路供電接口。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示，外部電源通過DC1引入后，通過AMS1117-3.3將5V的直流電壓轉(zhuǎn)化為3.3V以供STM32F、語音模塊及W5500和ZigBee供電。為了確保電源的穩(wěn)定性，降低電源的波紋，在AMS1117-3.3的輸入與輸出端都增加一對220uF和0.1uF的電容來進(jìn)行濾波。

主、從機(jī)系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)一樣。

2.3 主機(jī)系統(tǒng)控制器外圍電路設(shè)計(jì)

考慮功能的升級，主機(jī)系統(tǒng)增設(shè)一片1MB的靜態(tài)隨機(jī)存儲器（SRAM）和一片128MB的Nor-Flash。其中SRAM用于擴(kuò)展系統(tǒng)內(nèi)存，Nor-Flash用于存儲系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)與配置信息。

2.3.1 SRAM電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)外掛的SRAM（型號為IS62WV51216。）連接至Bank1塊的第三區(qū)，大小為1MB。其中，F(xiàn)SMC_D0-FSMC_D15為其16位的數(shù)據(jù)總線，F(xiàn)SMC_A0-FSMC_A18為其19條地址總線。FSMC_NE3對應(yīng)的是Bank1第三區(qū)的片選引腳，F(xiàn)SMC_NOE為輸出使能引腳，F(xiàn)SMC_NEW為寫使能引腳，F(xiàn)SMC_NBL0和FSMC_NBL1分別為奇偶字節(jié)讀寫控制引腳，C79和C80為濾波電容，R58位上拉電阻。

2.3.2 Nor-Flash電路設(shè)計(jì)

Nor-Flash同樣掛載至STM32的FSMC總線上，也用Bank1塊，但是接的區(qū)不同：其片選引腳接在STM32對應(yīng)的FSMC_NE2上;數(shù)據(jù)總線為FSMC_D0-FSMC_D15共16條。其中的FS MC_NOE為輸出使能引腳，F(xiàn)SMC_NEW為寫使能引腳，ST_NRST為復(fù)位引腳，F(xiàn)SMC_NWAIT為讀寫忙信號引腳，只需要將這些引腳與STM32中FSMC控制器相關(guān)的引腳對應(yīng)接在一起即可。

2.4 ZigBee模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸模塊用來實(shí)現(xiàn)主機(jī)與各個分機(jī)間的通信，選用DRF1609H模塊，自帶CC2630芯片，通過UART可以直接與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該模塊可以通過串口發(fā)送命令將其設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)。其與STM32連接的電路如圖4所示，圖中1腳和2腳為模塊供電引腳，3腳為復(fù)位引腳，4腳為功能按鍵引腳，通過連續(xù)間隔發(fā)送3個低電平信號，該模塊將實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)之間的自動組網(wǎng)，7-10引腳本系統(tǒng)未使用，5腳和6腳為UART串口通信引腳連接至STM32的串口。

2.5 藥滴滴速檢測電路

對藥滴的滴速的實(shí)時采集通過ZigBee或者以太網(wǎng)傳輸至主機(jī)，便于護(hù)士站護(hù)士及時了解每一個輸液點(diǎn)的輸液速度。本文采用STM32對光電三極管的電壓進(jìn)行采樣，這樣無須重復(fù)多次調(diào)節(jié)電位器。其電路設(shè)計(jì)如圖5所示：LTC2272雙運(yùn)算放大器對采樣的電壓信號進(jìn)行低通濾波和放大，電路的第一級為RC與運(yùn)放組成的緩沖放大電路，最大放大倍數(shù)為11;電路的第二級為Sallen-Key二階低通濾波器，該低通濾波器的截止頻率約為33Hz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括UCOS-II實(shí)時操作系統(tǒng)移植、ST-emWin圖形支持系統(tǒng)移植、主機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、分機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)以及串口通信程序設(shè)計(jì)等。主機(jī)軟件主要控制輸液數(shù)據(jù)的顯示與語音告警等，分機(jī)軟件主要控制輸液數(shù)據(jù)的實(shí)時檢測與數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋B接上位機(jī)和下位機(jī)之間的紐帶就是串口通訊程序設(shè)計(jì)。

3.1 ST-emWin圖形支持系統(tǒng)移植

ST-emWin圖形庫是Segger公司針對嵌入式平臺而開發(fā)的圖像軟件庫，系統(tǒng)通過調(diào)用其提供的函數(shù)接口，可以使設(shè)計(jì)圖形界面非常簡捷。

首先，在MDK的工程文件目錄下新建三個文件夾GUI_X、GUI/Config、GUI/Lib，其中GUI_X中的文件GUI_X_uCOS.C主要為支持帶操作系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多任務(wù)的配置文件。GUI/Config主要存放emWin初始化函數(shù)以及與LCD顯示器相關(guān)的配置信息。GUI/Lib下面為STemWin的庫文件。在添加好文件后做一些必要的修改以及在程序中使能與STemWin相關(guān)的CRC校驗(yàn)便可使用STemWin設(shè)計(jì)界面。

3.2 主機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對各個分機(jī)通過ZigBee無線傳回會的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與分析。當(dāng)分機(jī)傳回的數(shù)據(jù)異常（如滴速過快等。）時，將這些信息顯示在大屏幕上并以文字和語音兩種方式同時報警，以提醒醫(yī)護(hù)人員及時處理。其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

3.3 從機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對輸液狀態(tài)進(jìn)行檢測，包括輸液的滴速以及輸液是否完成，并將采集得到的數(shù)據(jù)通過ZigBee將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理與分析，其設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

4 調(diào)試結(jié)果

通過對系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和模擬輸液測試，該系統(tǒng)的分機(jī)能正確地實(shí)時檢測到液滴的滴速和輸液瓶袋的重量，滴速檢測范圍為5-200滴/分，滴速檢測精度高;最大重量檢測范圍為5Kg，精度為5g;數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送至主機(jī)準(zhǔn)確，主機(jī)分析和更新傳回的數(shù)據(jù)實(shí)時性強(qiáng)，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時，語音告警和屏幕文字提醒響應(yīng)及時，調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

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