基于物聯網的無人守護輸液監控系統

馬 龍，鄧素碧，何 銘

（1.中興通訊股份有限公司南京研發中心，江蘇 南京 210012；2.西門子電力自動化有限公司，江蘇 南京 210012；3. 河北省工業和信息化發展研究院，河北 石家莊 050000）

0 引 言

患者在醫院就醫輸液時，醫護人員一般不會全程陪護，患者多依靠自己或陪護人員監視輸液過程。當輸液即將完成時，患者或者陪護人員通過按壓病房報警器或者直接到護士站呼叫醫護人員，醫護人員需要立即前往更換輸液瓶或者拔除針頭。但如果患者和陪護人員注意力不集中，沒能及時發現輸液完成，醫護人員未及時處理，就會造成血液回流、空氣進入血管形成空氣栓塞、凝血堵住針頭等情況，嚴重時還會危及患者生命。

依靠人工監視輸液過程和干預輸液的方式，給患者和陪護人員帶來負擔，耗費了時間和精力；而且在藥液即將輸完時，醫護人員必須立即到場處理，如果多名患者同時出現這種情況，還會導致醫護人員工作緊張。

本文提出了一種基于物聯網的無人守護輸液監控系統（下文簡稱“輸液監控系統”）。在不改變原有輸液裝置和方式的基礎上，實現了輸液過程的自動監控，不需要人工監視輸液過程，并且可以同時對多位患者的輸液進行自動監視和控制；輸液即將完成時，自動關閉輸液管并向醫護人員報警，醫護人員不需要立即到達現場，只需按部就班處理即可。從而有效減輕了患者和陪護人員的壓力，降低了醫護人員的工作強度，提高了醫護設備的信息化程度和自動化水平。

1 系統組成

基于物聯網的無人守護輸液監控系統由輸液管監測模塊、微處理器、輸液管控制模塊、網絡模塊、智能終端模塊、電源模塊和物聯網平臺組成。其中輸液管監測模塊、微處理器、輸液管控制模塊、網絡模塊、電源模塊位于病房內，物聯網平臺位于公網，智能終端模塊在護士站或者由護士隨身攜帶。系統組成結構如圖1所示。

圖1 系統組成結構

1.1 輸液管監測模塊

目前主流的輸液管監測模塊有以下3種類型：

（1）稱重型

根據輸液瓶內的藥液重量變化來判斷剩余藥液。一般使用電阻應變式稱重傳感器，電阻應變片受力發生變形，其電阻值就隨之變化，電阻變化經過電路轉換為電信號，輸出到微處理器進行處理。該類型的輸液管監測模塊容易被外部環境干擾引起稱重波動，所以應用較少。

（2）光電型

利用光的反射或折射檢測輸液管中液體流過的情況，一般使用紅外對管傳感器，利用紅外線的物理性質來進行測量。紅外對管傳感器由紅外線發射管和紅外線接收管組成，紅外線接收管將紅外線光信號轉換成電信號，輸出到微處理器進行處理。當輸液管中沒有液體滴落時，紅外線接收管輸出高電平；當有液體滴落時，由于液滴對光的吸收和散射，紅外線接收管輸出電平會降低。紅外線接收管輸出電平的變化反映了輸液管中液體的流動情況。

（3）電容型

采用非接觸式電容傳感器，利用極板之間的電介質變化導致電容變化來檢測輸液管中的液體流動情況。電容值C=εS/d，當極板面積S、極板間距d固定時，電容值由介電常數ε決定，即由電容器介質決定。將輸液管固定于電容的兩極板之間，當輸液管中有液體流動時，輸液管與其中的液體構成介質；當輸液管中無液體流動時，輸液管與其中的空氣構成介質。水的介電常數約為78.5，空氣的介電常數約為0，故電容大小的變化反映了輸液管中是否有液體通過的情況。電容量的變化經過測量電路轉換為電信號，輸出到微處理器進行處理。

輸液管監測模塊與微處理器的I/O連接，把傳感器的輸出電信號發送給微處理器。

1.2 輸液管控制模塊

輸液管控制模塊的作用是輸液即將完成時阻止輸液繼續進行。主要執行部件采用直流電機，其功能是將電脈沖轉化為角位移。直流電機與微處理器的I/O連接，接收微處理器的脈沖指令，輸入電壓為5 V。當接收到微處理器發出關斷輸液管的指令時，電機正轉，帶動偏心輪轉動，卡緊輸液管，實現對輸液管中流動液體的阻斷。

1.3 微處理器

微處理器位于輸液管監測模塊、輸液管控制模塊和網絡模塊之間，對輸液管監測模塊輸出的數據進行處理，包括數據接收、邏輯運算、數據分析、數據發送等。

微處理器定時讀取輸液管監測模塊的監測數據，并對這些數據進行處理。當微處理器判斷輸液管中沒有液體流動時，給輸液管控制模塊發出阻斷輸液管的指令。另外，微處理器處理數據后，傳送給網絡模塊。

微處理器一般采用單片機，為了方便調試和數據處理，單片機一般使用開發板。

1.4 網絡模塊

網絡模塊實現微處理器與物聯網平臺之間、智能終端模塊與物聯網平臺之間的數據傳輸。網絡模塊使用的網絡技術包括有線網絡和無線網絡，有線網絡包括電話線、ADSL和光纖等，無線網絡包括 ZigBee、GRPS、4G、5G、WiFi、IoT等。

1.5 物聯網平臺

物聯網平臺為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設備，支撐設備數據采集上云；向上提供云端API。物聯網平臺通過對外提供的讀寫接口，接收網絡模塊傳輸的輸液管監測數據，并進行存儲，供智能終端獲取數據。

1.6 智能終端模塊

智能終端模塊包括智能終端和輸液監控系統APP。智能終端具有網絡功能，連接互聯網后可以從物聯網平臺獲取數據；輸液監控系統APP運行于智能終端，至少提供以下功能：輸液作業開始、輸液作業查詢、輸液過程監控、輸液作業結束等。常見的智能終端有智能手機、醫用PDA等。

1.7 電源模塊

電源模塊對輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、微處理器、網絡模塊和智能終端模塊進行供電，保證各模塊正常工作。

電源模塊使用9 V直流電源給微處理器供電，由微處理器的輸出電壓引腳給輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、網絡模塊供電。智能終端一般自帶電源。

2 系統軟件組成

輸液監控系統的軟件包括微處理器軟件、網絡模塊軟件和智能終端模塊的輸液監控系統APP軟件。

2.1 微處理器軟件

微處理器軟件功能如下：

（1）定時讀取輸液管監測模塊的監測數據，監測數據是輸液管監測模塊輸出的電信號。

（2）處理輸液管監測模塊的監測數據，得到輸液管中液體流動狀態，即輸液管中是否有液體流動。

（3）當判斷輸液管中無液體流動，并且沒有發出過控制指令時，給輸液管控制模塊發出阻斷輸液管的指令，并記錄已發出控制指令。

（4）把輸液管中液體流動狀態數據和控制指令發送的狀態數據傳送到網絡模塊。

（5）具有復位功能。輸液完成且醫護人員處理后，按壓復位鍵，微處理器響應按鍵，發出復位指令，輸液管控制模塊進行復位，電機反轉，偏心輪回到初始位置；然后微處理器控制輸出電壓引腳，停止給輸液管監測模塊和輸液管控制模塊供電；最后復位微處理器程序，清除監測數據和各種運算數據。

（6）其他必要的管理功能，如單片機管腳設置等。

2.2 網絡模塊軟件

網絡模塊軟件功能如下：

（1）網絡模塊設置：以便利用網絡資源，可以連接到互聯網。

（2）傳輸數據：傳送輸液管中液體流動狀態數據和控制指令發送的狀態數據到物聯網平臺。

2.3 輸液監控系統APP軟件

輸液監控系統APP軟件運行在智能終端，主要具有以下功能：

（1）輸液作業開始：輸入輸液患者信息和輸液管監測模塊信息，并將二者進行關聯。

（2）輸液作業查詢：包括各個輸液作業的開始時間、持續時間、當前狀態等，還包括歷史輸液作業查詢。

（3）輸液過程監控：當有輸液即將完成時，通過設置的報警方式進行報警。

（4）輸液作業結束：清除輸液過程數據。

（5）報警設置：包括報警方式（聲、光、振動、語音等）設置、報警聲音選擇。

（6）通過智能終端連接到互聯網，定時從物聯網平臺獲取當前的輸液信息數據。

3 系統工作過程

基于物聯網的無人守護輸液監控系統中，輸液管監測模塊實時采集監測數據，微處理器對其輸出電信號進行處理得到輸液管中液體流動數據并進行判斷，在輸液管中有液體流動時，輸液管控制模塊不執行動作；在輸液管中無液體流動時，微處理器發出阻斷輸液管的指令，輸液管控制模塊的電機正轉，帶動偏心輪轉動，卡緊輸液管，輸液管中殘余液體不再流動。另外，微處理器通過網絡模塊把輸液管中液體流動狀態數據和控制指令發送的狀態數據傳輸到物聯網平臺，運行在智能終端的輸液監控系統APP從物聯網平臺獲取輸液管中液體流動狀態數據。當輸液管中無液體流動時，通過設置的報警方式進行報警。

3.1 系統的前置過程

所謂前置過程，就是使輸液監控系統正常工作的準備工作。主要包括以下4個方面：

（1）對網絡模塊進行設置，能夠接收微處理器的數據，并發送數據到物聯網平臺。

（2）配置物聯網平臺，能夠存儲數據，并能夠對外提供數據寫入和查詢接口。

（3）編寫輸液監控系統APP程序，并在智能終端運行。

（4）使用直流電源給微處理器、輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、網絡模塊供電，保證各模塊正常工作。

3.2 數據的采集和控制

數據的采集和控制，即輸液監控系統實時采集輸液管監測數據，微處理器對監測數據進行處理，得到輸液管中液體流動狀態數據，并以此作為驅動輸液管控制模塊動作的依據。

（1）數據采集：輸液管監測模塊實時監測輸液管中液體流動情況，輸出監測數據，即電信號。

（2）數據處理：微處理器定時讀取輸液管監測模塊輸出的電信號，并進行邏輯運算和處理，得到輸液管中液體流動狀態數據。

（3）輸液管控制：微處理器對輸液管中液體流動狀態數據進行判斷，當輸液管中無液體流動時，發出阻斷輸液管的指令，輸液管控制模塊做出阻斷輸液的動作。

（4）數據傳送：將輸液管中液體流動狀態數據和控制指令發送的狀態數據，通過網絡模塊，傳輸到物聯網平臺。

（5）數據存儲：物聯網平臺收到輸液管液體流動數據后存儲到數據庫。

3.3 輸液監控系統APP流程

在智能終端運行輸液監控系統APP，其工作過程描述如下：

（1）開始輸液作業，關聯輸液管監測模塊和輸液患者的信息。

（2）定時從物聯網平臺獲取輸液管中液體流動狀態數據。

（3）當輸液管中無液體流動時執行步驟4，否則執行步驟2。

（4）使用設置的報警方式進行報警。

（5）輸液作業結束，保存歷史數據，清除輸液作業數據。

輸液監控系統APP的具體工作流程如圖2所示。

圖2 輸液監控系統工作流程

4 系統實現

本文在實驗室環境實現了輸液監控系統的構建，采用的是Arduino開源電子原型平臺。

Arduino支持很多種處理器芯片的開發，內部有大量的類庫，軟件和硬件開發方式類似于搭積木的方式，開發和應用比較簡單、方便、快捷。

輸液管監測模塊選用非接觸式電容傳感器，利用極板之間的電介質變化導致電容變化來監測輸液管中液體流動情況。當電容介質中的藥液由空氣取代且電容值發生變化時，說明輸液即將完成。

輸液管控制模塊中的直流電機選用L9110驅動，電機與輸出端連接。另外，其他輔助器件還包括偏心輪和擋板，偏心輪由電機帶動。開始輸液時，輸液管放在擋板和偏心輪中間；輸液即將結束時，電機轉動，帶動偏心輪，偏心輪和擋板之間距離變小，從而卡緊輸液管。

微處理器使用單片機，選擇Arduino UNO R3開發板，該開發板采用AVR單片機ATMEGA328P作為主控制器。

網絡模塊使用ESP8266，ESP8266是專門應用于移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用設計的WiFi模塊，通過AT指令配置與單片機上的串口進行通信，利用WiFi傳輸數據。ESP8266體積小、功耗低、價格便宜。

智能終端使用安卓智能手機，輸液監控系統APP自行開發，具有的功能包括輸液作業開始、輸液作業查詢、輸液過程監控、設置報警方式等。

為了方便開發，物聯網平臺使用某免費的物聯網平臺。

另外，電源模塊使用9 V直流電源給單片機供電，由單片機的輸出電壓引腳給輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、網絡模塊供電，智能手機則由自帶電池供電。

按照前文的系統構成進行搭建，把輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、單片機Arduino UNO R3、ESP8266芯片依次連接，在單片機Arduino UNO R3中進行編程，處理來自輸液管監測模塊采集的監測數據，得到輸液管中液體流動狀態數據；當輸液管中無液體流動時，對輸液管控制模塊發出阻斷輸液管的指令；對ESP8266芯片進行設置，利用本地WiFi資源，連接到互聯網，輸液管中液體流動數據通過ESP8266芯片發送到物聯網平臺并進行存儲。

運行輸液監控系統APP，連接物聯網平臺，并進行報警設置。定時從物聯網平臺獲取輸液管中液體流動狀態數據，當發現有患者輸液即將完成時進行聲、光或者振動等形式的報警。

輸液監控系統運行示意圖如圖3所示，輸液管監測模塊、輸液管控制模塊、微處理器、網絡模塊和電源集成為一個組合模塊，輸液時安裝在滴壺和輸液瓶之間的輸液管部分，通過WiFi連接物聯網平臺，智能終端由醫護人員攜帶。

圖3 輸液監控系統運行示意圖

5 結 語

基于物聯網的無人守護輸液監控系統，其輸液管監測模塊負責采集輸液管監測數據，微處理器負責對監測數據進行處理。當輸液即將完成時，輸液管監測部位的介質由液體變為空氣，微處理器給輸液管控制模塊發出阻斷輸液指令，輸液管控制模塊阻止輸液繼續進行；同時微處理器把輸液管中液體流動狀態數據和控制指令發送狀態數據通過網絡模塊傳輸到物聯網平臺進行存儲；運行在智能終端的輸液監控系統APP定時從物聯網平臺獲取各患者輸液數據，醫護人員可以隨時觀察到每個病人的輸液情況；當有患者輸液即將完成時，發出報警，通知醫護人員進行處理。

基于物聯網的無人守護輸液監控系統，減輕了輸液過程中的人力負擔，避免了因處理不及時帶來的安全隱患，提高了醫護質量，推動了醫療事業自動化的發展，在我國患者多、醫護人員少的情況下具有極大的推廣意義。