一種便攜式無線輸液報警器的設計

孫鵬（通信作者），唐永菁

山東威高藥業股份有限公司 （山東威海 264200）

靜脈輸液是臨床治療中非常重要的一環，通常情況下，其持續時間較長，而由于患者、陪護家屬或責任護士不能始終觀察輸液情況，導致輸液完成后患者可能會出現由于壓力差而造成回血的情況，甚至出現更換輸液器和重新穿刺的情況，增加患者痛苦，引發醫患糾紛。目前，由輸液完成未能及時處理而引起的醫患糾紛已受到社會的普遍關注。基于此，本研究設計了一種便攜式無線輸液報警器，旨在為患者提供安全保障。

1 輸液報警器的應用現狀

目前，國內外常用的輸液報警器按照檢測原理主要分為光電式報警器、光纖式報警器、超聲波式報警器、稱重式報警器及電容式報警器幾種。（1）光電式報警器：通常安裝在輸液管壁外側，由紅外發光二極管和紅外光敏二極管構成，當藥液遮擋紅外線時，紅外接收管電位發生變化，以此來判斷輸液是否完成[1]。（2）光纖式報警器：通常安裝在輸液瓶的瓶口位置，利用光在液面發生折射來確定液面的高度，當液面到達指定報警位置時，全反射光線將入射到光纖接收端，實現輸液瓶內液位的高度測量。（3）超聲波式報警器：通常安裝在輸液瓶的瓶底位置，利用高頻聲波的反射原理測量液位高度，即儀器發出的超聲波脈沖傳到液面時會被反射，測出瓶內液位的高度。（4）稱重式報警器：通常安裝在輸液支架上，并將輸液瓶懸吊，通過力學傳感器將輸液瓶重力的變化轉變為信號的變化，來判斷輸液是否完成[2]。（5）電容式報警器：通常安裝在輸液管壁外側，利用液體和空氣的介電常數不同，引起電容器的電容量變化，來判斷輸液是否完成。其中，光電式報警器體積小，易操作，但對于無色的藥液不靈敏，容易產生誤報警，所以應用受限；光纖、超聲波和稱重式報警器雖然比較精準，但易受支架晃動和光線變化等外界環境的影響，并且每次更換輸液瓶都需要重新調整和固定，操作較煩瑣，且整體體積大，應用不方便[3]；電容式報警器體積小，安裝方便，對藥液無特殊要求，所以在本設計中選擇電容式檢測方式。

2 便攜式無線輸液報警器的設計

2.1 設計原理

通過對比以上多種報警器，本次的報警器采用電容式方案設計，兩個平行電容板在報警器輸液管的前后兩側，根據平行電容板的電容值公式C=ε×S/d（其中，ε 為平行電容板之間介質的介電常數，S 為極板面積，d 為極板間的距離，水的介電常數約為78.5，空氣的介電常數約為0）[4]，在極板面積和極板間相對距離不變的情況下，當輸液器中液面不斷下降并經過平行電容板時，介質由藥液變為空氣，引起電容變化，報警器開始工作。

2.2 結構設計

報警器外殼采用牢固無害的PE 材質，整體設計簡潔，可防止意外碰撞而損壞；夾扣采用前后相互嵌套的設計結構，擴大了內部集成電路板的安裝空間，以彈簧方式實現，單手可以操作，方便快捷；啟動開關采用圓形凹陷的按鍵方式，防止誤操作，并通過電源燈常亮顯示啟動和關機狀態；輸液完成的報警采用聲光同時報警的方式，即LED 燈按設定頻率閃爍，蜂鳴器一直工作，直到按下復位按鈕（采用方形凹陷設計，防止按錯），聲光報警停止。產品外形見圖1。

2.3 系統設計

該報警器主要分為電容式檢測報警裝置及與醫院呼叫系統相連的無線觸發呼叫裝置兩部分。其中，電容式檢測報警裝置由5 V 紐扣電池提供電源，配置一套用于液位檢查的電容式傳感器，選擇蜂鳴器和LED 燈作為單機聲光報警，以夾扣的方式固定于輸液器管路上，夾扣內與輸液器接觸的部分配有軟橡膠，用于在保持扣緊的基礎上保護管壁不受破壞。無線觸發呼叫裝置安裝于護理床上并與醫院的呼叫系統相連，通過無線模塊獲得報警裝置的信號，并通過繼電器觸發醫院的呼叫系統。

2.3.1 控制系統設計

控制系統采用的控制核心為AT89C52，其是新一代高速、低功耗、超強干擾的8位單片機，響應速度快，運行穩定可靠，已被廣泛用于醫用電子行業[5]。系統通過電容傳感器感應輸液管中的液位，當液位低于傳感器位置時，傳感器電容發生明顯變化，從而引起電路中電壓的變化，由此將液位物理信號轉變為電路的電流信號，該電流信號經過整流、濾波和放大后傳輸給單片機，單片機開始運行報警程序。

2.3.2 信號無線傳輸系統設計

本設計選用nRF24L01無線收發模塊（對電壓要求較高，即要求供電的電壓足夠穩定，所以需要將5 V 電源轉化成3.3 V 的理想工作電壓），工作頻率為2.4 GHz，可靠性好，功耗低，支持多頻多通道通信[6]；此外，采用PCB 內置天線（減小了設備體積），可靠傳輸距離為10 m，滿足使用要求；利用AMS1117-3.3轉換模塊，不僅能夠改變電壓，還具備較好的穩壓功能（有效穩壓精度為1%）[7]。降壓電路設計見圖2。

2.3.3 與醫院呼叫系統的對接系統設計

根據實際液位變化，安裝在輸液器上的檢測報警裝置會發出聲光報警，同時，為了進一步保障患者的輸液安全，該報警信號會通過無線傳輸的方式觸發醫院的病床呼叫系統，將情況及時通知護士站的值班人員。本對接系統的無線收發模塊選擇nRF24L01，控制芯片選擇AT89C52，單片機通過控制繼電器的通斷來實現呼叫功能。因為單片機實際的端口輸出電流很小，通常無法直接驅動繼電器[8]，所以本設計采用增加單片機輸出端的三極管放大電路來實現呼叫功能。放大電路見圖3。

2.4 程序設計

在硬件電路的基礎上，通過Keil C51編寫軟件程序，實現輸液器中液面高度的監控和報警。（1）聲光報警程序：按下啟動按鈕后，系統開始工作，電源燈常亮顯示啟動狀態，當傳感器感應到液面變化時，報警程序啟動，蜂鳴器和報警燈開始工作，同時，報警信號通過無線傳輸觸發醫院的呼叫系統，直到復位按鈕被按下，系統停止報警[9]。（2）信號無線收發程序：nRF24L01模塊的數據傳輸通過SPI 接口實現，SPI 的接口時序由單片機的IO 口提供，參數設置時應保證發送和接收兩端的地址寬度、信道工作頻率等參數相同，本設計中，為保證數據的正確性，采用16位CRC 校驗。

3 小結

本研究設計了一種便攜式無線輸液報警器，體積小，無外接電源和通信線，方便攜帶，實現了獨立聲光報警的同時，可以通過無線的方式觸發醫院的病床呼叫系統，不僅降低了看護人員的勞動強度，提高了醫護人員的工作效率，而且提升了醫療病房信息化和智能化水平，能夠在醫療應用中起到良好的輔助作用。