基于單片機的點滴輸液報警系統設計

韋邵云 劉 偉

（桂林理工大學，廣西 桂林 541006）

靜脈注射是一種專門用于臨床治療疾病的手段，通過人體靜脈注射藥液，具有療效快、操作方便、對身體損害小等優點。然而，不當的輸液方法容易發生醫療事故，例如：滴注過快，易產生不良反應，甚至危及生命；不能及時觀察剩余量，導致無藥輸液；持續性的過量輸注，易造成循環系統負荷過重等等。本文以實時遠程監控輸液為目標，設計一個點滴輸液報警系統，讓患者可以得到休息，減輕醫護人員的壓力，提高醫護人員的工作效率。

1 系統總體方案

點滴輸液報警系統的總體框圖如圖1 所示。該系統由單片機、液位傳感器、紅外計數傳感器、DS1302 時鐘模塊、按鍵電路、無線通信模塊、OLED 顯示屏等幾部分組成。

圖1 點滴輸液報警系統

其中，單片機為STM32F103C8T6，負責控制系統內的各個模塊。液位傳感器主要負責液位報警，紅外計數傳感器負責輸液速度檢測，DS1302 為系統提供穩定時鐘，按鍵電路為系統提供設置輸液時間和病人報警的功能，無線通信模塊使用ESP8266 模塊，方便系統與服務器、手機APP 進行數據交互，OLED 屏顯示系統時間和輸液信息[1]。

主控制器接收液位傳感器和紅外計數傳感器的輸出信息，并將綜合處理后的信息發送到ESP8266 模塊，通過內部的機智云固件，上傳至服務器，用戶在手機APP 端查看，實現實時監測。

2 系統設計

2.1 單片機

主控制器為STM32 開發板，芯片為STM32F103C8T6 單片機。該單片機由意法半導體(ST)開發，基于ARM Cortex-M內核。與51 單片機相比，其功能更為強大，性能更高，穩定性更好。STM32 系列單片機自帶主流外設，且其內核擁有高性能、低成本、低功耗等優點[2]。

系統使用MicroUSB 接口供電，可以提供5V的直流電輸入，保證系統正常工作。5V 主要提供給液位檢測傳感器、紅外對射計數傳感器和時鐘模塊工作，STM32F103C8T6、OLED 液晶屏和ESP8266-12F的工作電壓是3.3V，通過開發板上的AMS1117芯片負責降壓。

2.2 液位傳感器

液位報警是利用液位傳感器的工作原理實現。如圖2 所示，根據有水狀態與無水狀態時分布電容的變化來判斷測試傳感器位置是屬于有水狀態或是無水狀態，由此實現檢測[3]。

圖2 液位傳感器

使用時，將傳感器緊貼輸液管，也可以緊貼輸液瓶底部，當液體達到傳感器探測位置時即有電平信號輸出，從而完成液位的檢測。只有檢測到了有液體存在，才能進行輸液速度檢測。

2.3 紅外計數傳感器

紅外計數，利用紅外光的變化來完成輸液速度的檢測[4]。采用進口槽型光耦傳感器，檢測靈敏度高；檢測時，通過夾持輸液器滴斗，在不接觸液體的情況下完成滴速檢測，保證輸液安全。模塊使用的比較器是LM393，得到的輸出信號干凈、波形好、誤差小。

如圖3，檢測槽中有物體通過時，會引起紅外光耦的變化，每通過一次，就會產生一次高電平，通過OUT 開關信號輸出。

圖3 紅外計數傳感器電路圖

計算輸液速度的過程如下：檢測4 滴液體x（單位為滴），記錄這4 滴液體通過檢測槽時一共花了多少時間t（單位為秒s），根據公式，計算出這4 滴液體的速度v（單位為滴/s），將這個速度v 轉化成百分比。通過手機APP，設置好輸液速度上限，如果這個速度v 超過設置的輸液速度上限，系統就會進行聲光報警。

2.4 DS1302 時鐘模塊

這里用到的時鐘芯片是DS1302，由美國DALLAS 公司推出的具有掉電保護的低功耗時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，配合頻率為32.768kHz的外部晶振組成時鐘模塊電路。

2.5 按鍵電路

系統能設置輸液時間和病人報警，通過增加按鍵電路來實現這兩個功能。按鍵電路共有四個按鍵：KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。其中KEY1 和KEY2 為輸液時間加減鍵，KEY3 為輸液時間設置鍵，KEY4 為病人報警鍵。

當KEY3 按下時，系統進入輸液時間設置程序，默認為10分鐘。此時，按下KEY1，輸液預設時間增加，若按下KEY2，則輸液預設時間減少。當需要報警時，按下KEY4，系統的輸液狀態就會顯示為報警，指示燈亮起，再次按下KEY4，報警狀態解除，指示燈滅。

2.6 無線通信模塊

無線通信模塊使用的是2.4G WIFI 模塊ESP8266-12F，該模塊內置完整的TCP/IP 協議棧，可以通過串口通信進行數據傳輸，為系統添加聯網功能。

系統可選擇單機模式運行，也可聯網模式使用。配置WIFI模塊的聯網模式：如果之前已經連上過WIFI，拔插短接片就會連上之前的WIFI 網絡；如果是首次連接WIFI，則通過復位按鍵和手機APP 操作連接。等待十秒左右，系統就能連上機智云的服務器，實現單片機與機智云服務器、手機APP的數據交互。如果沒有聯網成功，則WIFI 模塊的指示燈就會進入快速閃爍狀態，此時需要重新配置網絡。

在云端，用戶通過手機APP 來向服務器發送控制指令，因為服務器端和下位機內的數據點是一一對應的，非常方便。

3 軟件設計

本系統的軟件以Keil 作為編輯軟件，以STM32F103C8T6為核心，結合傳感器檢測到的結果將輸出信號送至單片機處理，進而實現點滴輸液報警。系統軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 點滴輸液報警系統軟件流程圖

當液位傳感器沒有檢測到液體，進行聲光報警；檢測到有液體存在，在手機APP 中設置輸液速度上限，由紅外計數傳感器檢測輸液速度，OLED 屏顯示檢測結果。如果輸液速度超過了預設的輸液速度上限，進行聲光報警；如果沒有超過，則持續檢測，直至輸液結束。當需要設置輸液預警時間，則通過按鍵或手機APP 進行設置，時間到后進行聲光報警，從而實現系統的整體功能。

4 結論

與傳統的輸液報警器相比，在不改變現有輸液方式的基礎上，為患者和護士輸液提供了方便，大大提高了醫院醫護人員的工作效率，降低了因點滴輸液造成的醫療事故率。由于條件有限，該系統尚未得到醫院試點使用，實際使用效果有待探究。