基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠程監控系統

覃茂昌 龐美伶 鄭永杰 鐘翠麗 羅曉春 陳俊帆 袁琳

摘 要：在各級醫院中，靜脈輸液是一種普遍的治療手段。針對醫院傳統靜脈輸液的病人多且輸液時間長，造成醫護人員工作壓力大等問題，文中設計了一套基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠程監控系統。該系統采用紅外對射管進行液滴信號的采集，通過STC89C52RC單片機進行編程控制，實現對患者輸液狀態的遠程監控。在實驗中，該系統能實現患者靜脈輸液滴速、剩余量等狀態的動態監控以及異常情況的聲光警報。

關鍵詞：靜脈輸液;智能監控;STC89C52RC;HC-12無線傳輸;紅外光電傳感;輸液滴速

中圖分類號：TP391;R471文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

靜脈輸液因其有著安全便捷、見效快、生物利用度高等優點成為臨床醫學普遍使用的一種輔助治療手段[1-2]。在對病人進行輸液治療的過程中，醫護人員須根據每個患者的病情輕重而對輸液速度進行調節。如輸液過快，將會導致循環血量增加，加重心臟的負擔，引起副作用及不良反應;當輸液太慢時，將可能導致血凝塊堵塞輸液針管[3-4]。

因此，在許多中小型醫院中，病人患者在靜脈輸液治療過程中通常需要醫護人員或者患者家屬進行監護。這極大地增加了醫護人員的工作量及工作壓力，醫護的效率和質量難以提高，也常常造成一些病人的不滿和投訴，甚至引發醫患糾紛[5-7]。

為解決上述問題，本文設計了一種基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠程監控系統。該系統包括兩個部分：一部分是作用于靜脈輸液端的靜脈輸液狀態采集系統。該系統通過紅外對射管檢測液滴信號，將STC89C52RC作為主控制板進行數據處理，當輸液數據異常時進行聲光報警，并且將數據通過HC-12無線模塊傳輸。另一部分是放置在護士站，供醫護人員使用的靜脈輸液狀態監控系統。該系統通過HC-12無線模塊接收患者靜脈輸液狀態的信息，通過STC89C52RC單片機進行數據處理，將輸液狀態信息通過LCD顯示屏顯示，并且當監控到輸液信息異常時發出聲光報警。通過HC-12無線模塊實現的靜脈輸液遠程監控系統，有效降低了醫護人員的勞動強度，可以幫助醫護人員更好地監測各病患的輸液情況。

1 系統總體結構

基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠程監控系統的總體設計結構如圖1所示。它主要由作用于靜脈輸液端的靜脈輸液狀態采集系統和作用于護士站的靜脈輸液狀態監控系統兩部分組成。

靜脈輸液狀態采集系統由STC89C52RC主控制模塊、速度檢測模塊、聲光報警模塊、顯示和按鍵模塊、無線發送模塊組成。其采用紅外光電傳感器檢測液滴信號，將信號整形后傳輸給單片機STC89C52RC進行數據處理并加以顯示。當滴速超過所設定的閾值時將觸發聲光報警，提醒患者家屬以及醫護人員及時處理，并且實時通過無線發送模塊發送輸液狀態。

靜脈輸液狀態監控系統包括STC89C52RC主控制模塊、無線接收模塊、LCD顯示模塊和聲光報警模塊。其中，主控制模塊通過無線接收模塊接收靜脈輸液狀態的數據并進行數據處理;對輸液各類數據進行LCD液晶屏顯示，并對異常輸液情況進行報警，從而實現對患者靜脈輸液的遠程監控。

2 系統硬件電路設計

2.1 靜脈輸液狀態采集系統

2.1.1 主控制模塊

此部分設計采用單片機STC89C52RC作為主控制板。STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片內含有3個16位定時器/計數器、4個外部中斷、全雙工串行口。主控制模塊及其外圍電路如圖2所示。

2.1.2 速度檢測模塊

點滴速度檢測模塊通過紅外對射管進行滴速檢測。LM393為雙電壓比較器，用于液滴信號的整形。當有液滴滴下則a點輸出高電平，此時第6引腳電壓高于第5引腳，P3.3口輸出低電平，信號燈D3亮起，表示檢測到液滴信號;若無液滴滴下的情況則反之。速度檢測模塊電路如圖3所示。

2.1.3 聲光報警模塊

聲光報警模塊如圖4所示。系統工作前先手動設置滴速的上、下限以及輸液容量，若檢測到的速率超過預先設置的閾值范圍，蜂鳴器啟動，報警LED燈亮起。若在阻塞或藥液輸完的情況下，系統超過10 s沒有檢測到液滴，同樣觸發聲光報警。

2.1.4 顯示和按鍵模塊

數據收集和發送部分的顯示采用兩位LED數碼管，顯示范圍為0～99。此部分有四個工作模式，分別對應正常測滴速、滴速上限的設置、滴速下限的設置以及輸液總容量的設置這四個功能模塊。工作模式的切換以及參數的設置通過三個獨立按鍵實現。

2.1.5 無線發送模塊

靜脈輸液狀態采集系統在檢測到液滴信號并經過數據處理后，通過無線傳輸模塊HC-12將數據發送到數據接收器。無線傳輸HC-12的連接方式如圖5所示。方案選擇的HC-12模塊完全符合所需的功能以及環境條件的需求。其模塊內置有MCU，且無需再對無線模塊中的MCU另外軟件編程，在模塊可選的各種傳輸模式下，只負責發送和接收串口數據。該模塊分立元件很少，傳送延時僅僅4～80 ms，通信方式是半雙工通信。此傳輸模塊具有較廣的傳輸范圍，在1 000 m范圍內都可正常通信，且在正常傳輸范圍內的傳輸效率非常高。

2.2 靜脈輸液狀態監控系統

本系統放置在護士站供醫護人員使用。系統通過HC-12無線接收模塊對靜脈輸液采集系統采集到的靜脈輸液狀態進行無線接收，再對其進行數據處理和顯示。

2.2.1 主控制模塊

數據接收部分的數據處理同樣采用單片機STC89C52RC完成。無線模塊HC-12接收到數據后，將其傳輸至單片機內部進行處理。無線模塊HC-12接收到的數據包括輸液瓶的編號、總液量、滴速、滴速的上限和下限，單片機分別將數據進行分離處理，并將其顯示在LCD1062液晶屏上。

2.2.2 LCD1602顯示模塊

顯示采用LCD1602字符型液晶屏，LCD液晶顯示屏電路原理如圖6所示。顯示的內容包括病患的床位編號、藥液當前滴速、輸液藥物總量、所設置滴速上限及下限、開關標志，分兩行顯示。例如N10 V60 C400，H80 L40 K1，依次表示為：病床號10、滴速60滴/min、總量400 mL、上限80滴/min、下限40滴/min、開關打開。

此系統還包含了聲光報警電路。當病人輸液端的數據異常時蜂鳴器報警，并點亮LED報警指示燈，提醒醫護人員需要換液或者處理其他異常情況，該系統減輕了醫護人員的工作量。

3 系統軟件設計

3.1 主函數設計

此部分軟件主函數設計流程如圖7所示。主要實現流程為：首先對定時器進行初始化，再分別調用顯示子函數以及掃描按鍵子函數，當檢測到液滴信號則打開計算開關進行滴速的計算。

3.2 按鍵功能設計

按鍵控制著工作模式以及輸液參數的設置，各按鍵的功能以及工作模式的設置流程如圖8所示。開機即默認進入工作模式1，按下按鍵1工作模式加一，工作模式2和工作模式3分別用來設置正常滴速的上限和下限，按鍵2和按鍵3分別為數值的加鍵、減鍵，工作模式4為輸液容量的設置。

4 實 驗

實驗過程中，靜脈輸液狀態采集系統如圖9所示，靜脈輸液狀態監控系統如圖10所示。將輸液袋裝滿水，并將茂菲氏滴管（Murphys Dropper）夾在靜脈輸液狀態采集系統的紅外對射管之間，一旦系統中的LED信號燈閃爍則代表傳感器檢測到了液滴滴下。通過外接電源為采集系統提供5 V工作電源，將按鍵控制部分焊接到獨立的洞洞板上，以方便調試過程中工作模式的設置。無線模塊發送端則通過RXD、TXD通信接口與主控單元連接，共地共電源。

通過按鍵設定滴液速度的上限和下限（滴/min），設定輸液袋的液體容量。打開茂菲氏滴管夾，開始滴液，紅外對射管實時監測滴液的速度，當滴速超過所設定的閾值或輸液狀態發生異常，該模塊發送聲光報警提醒患者和醫護人員，并且通過無線傳輸發送模塊將輸液瓶的編號、藥液總量、滴速和上下限發送到護士站端的靜脈輸液狀態監控系統。

通過外接電源為靜脈輸液狀態監控系統提供5 V工作電壓。該監控系統通過無線接收模塊接收輸液瓶的編號、藥液總量、滴速和上下限等信息，通過單片機控制顯示在LCD液晶屏中。當輸液狀態發生異?；虻嗡俪^所設定的閾值時，該監控系統發送聲光報警提醒醫護人員及時處理。

5 結 語

基于HC-12無線模塊的靜脈輸液遠程監控系統采用MCS-51單片機和紅外對射管傳感器，具有低成本、高速度、操作簡易、使用方便、易于推廣的優點。兩個分系統之間的數據傳輸采用HC-12無線傳輸方案，無線傳輸距離遠且速度快，傳輸數據的過程也很穩定，使得系統具有很好的可擴展性。

隨著網絡技術的飛速發展，人們對醫療設備的要求越來越高。靜脈輸液是醫院非常普遍的治療手段[8-10]，輸液監控器材的使用也愈發廣泛，且智能監控設備的發展趨勢是無線化、網絡化[11-12]，因此本文提出的輸液遠程監控系統將會成為各醫院的主流產品，市場應用前景廣闊。

注：本文通訊作者為覃茂昌。

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