基于IoT的智能輸液系統的設計與實現

摘要：該系統在物聯網環境下將Zigbee技術與輸液器合二為一，實現了智能輸液服務。系統利用特殊的傳感器檢測液體流動進度，當輸液管中液體液面流經傳感器時，傳感器可以輸出低電平信號至終端CC2530芯片，終端CC2530芯片再通知智能機械控流開關夾住輸液管，阻止液體流動，同時向協調器CC2530芯片發送房間號信息，通知護士為對應房間換液。

關鍵詞：物聯網;Zigbee;智能輸液

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0131-02

據統計，全國每年人均輸液8瓶，在如此龐大的輸液數量下，需要消耗大量的人力去監測輸液的進度。由于患者人數較多，醫護人數相對缺乏，造成患者在輸液結束后，卻未獲及時處理，導致病人血液倒流的情況屢見不鮮。為避免這一安全隱患，減少護士和陪護者的負擔，迫切需要一套智能輸液監測提示系統。

目前醫院大多數對輸液狀態的監控是通過人眼觀察，也有部分醫護人員采用現有的輸液監測器材。現有的輸液監測器材大多僅能在輸液結束后發出警報，不能將報警信息實時傳送給醫護人員。本次設計通過輸液監測系統不僅可以計算、顯示藥液流速，在液體輸完后發出警報，還能將報警信息發送給醫護人員，對減輕醫護人員工作量有極大幫助。

近年，ZigBee技術因其特有的應用特性受到了人們的青睞。該技術作為一種傳感器網絡支撐技術，非常適合傳輸的數據量小，需要實時傳輸的場合。本次所設計的系統應用場合恰好需要一款這樣的產品作為信號傳輸的中介，因此，將ZigBee技術應用到該領域是非常有必要的。

1 系統設計

生活中最常見的治療方法非輸液治療莫屬。在大部分的醫院中，輸液治療都是采用一種叫病房呼叫系統的設備進行管理運行。病床呼叫系統由安裝在病區護士站的呼叫主機和分別設置在病房床頭的呼叫分機、走廊顯示屏組成，一旦病房床頭有人按呼叫按鈕，護士站的主機就發出聲光報警信號，同時，走廊顯示屏同步顯示呼叫房間號，護士人員便可以趕往病房處理緊急情況。

這種系統在技術上仍然采用最傳統的數字電路以及有線電話通信，它需要人的參與，這種非自動化控制大大降低了醫院工作的效率，不僅如此，這樣一種工作系統下也存在一些安全隱患。所以現今醫院輸液治療的工作系統急需改善。

首先，最常見的問題是住院病人經常會忘記關注輸液進度使輸液管中的液體流盡，這時由于人體內的壓強大于輸液管中的壓強，會導致血液倒吸。根據調查，在這種血液倒吸的情況下，處理的情況有兩種：若管內的血液凝固，則必須要換新的輸液管，輸下一瓶液體，那么病人又要受一次扎針之苦;若管內的血液沒有凝固，那么需要將針頭與輸液管的連接處斷開，用下一瓶液體將管內空氣排空，再與針頭連接將管內的液體再輸回人體內。據調查，經驗豐富的護士處理該狀況需要1分鐘～2分鐘，實習護士則更慢。由此可見，處理血液倒吸的方法是比較復雜的。

其次，輸液治療中有一種為腫瘤病人設計的特殊輸液管，即經外周靜脈穿刺中心靜脈置管 （PICC），采用了一種新型的途徑行中心靜脈置管術，為腫瘤病人建立良好的靜脈通路 ，由外周導入中心靜脈，可保護患者上肢血管網，減少反復穿刺給病人帶來的痛苦，減輕化療藥物對周圍血管的破壞。由于這種管的直徑很小，為了防止藥物沉淀導致的PICC管堵塞，給病人身體帶來負擔，需在輸液后給予5分鐘左右的0.9%生理鹽水沖洗PICC管的臨床護理操作。在這種情況下，不需要液體瓶中的液體輸完，但是病人同樣有可能忘記關注時間，使體內注入過多的生理鹽水，給病人的腎臟造成極大負擔。

最后，病人在按下床頭按鈕提醒護士換藥的時候，通常伴隨著較大聲的提醒音，這與醫院里要保持安靜的規定顯得格格不入，一定程度上影響了病人的休息。對于一些病情嚴重的病人，有時甚至需要一天24小時輸液，在這種情況下提醒音將會較大程度上影響著病人休息，其他的病人也會受到同樣的影響。

綜上，現在醫院中的輸液治療工作系統需要克服的問題仍然比較多，如果可以得到有效的解決，將能在一定程度上改善現在的醫患關系、醫院工作效率、資源分配、醫務工作者急缺等問題。

本系統與傳統的病床呼叫系統所采用的有線通信不同，本系統采用低功耗、高靠性的Zigbee無線通信技術。信息傳輸速率快、效率高可以使醫院的輸液治療運行系統高效而可靠地運行。

市面上輸液器的控流開關通常為一個手動的滾輪夾，當滾輪滾至最底端時，液體停止流動。本設計的智能輸液醫療系統則具有一個智能控流機械開關，由液體進度檢測器通知它執行相應動作，以達到停止液體流動的目的，這樣病人可以完全不用注意液體的進度，安心休息。

醫院住院部通常幾乎全天24小時內都充斥著輸液報警的聲音，這種情況必然會在一定程度上影響病人的休息。本系統設計的智能輸液醫療系統全程靜音，在沒有報警的情況下，通過無線通信的方式通知護士換藥，為病人營造了良好的休息環境。

本系統利用VB程序設計語言設計了一款為該智能輸液醫療系統的專用的電腦軟件。通過串口通信技術，主要用于在帶電腦上顯示需要換液的房間、房間數以及優先換液房間。房間顯示功能主要是為了通知護士對需要換液的房間進行換液。我們所設計的智能輸液醫療系統通過電腦軟件實現這一功能，可以實現顯示需要換液的房間號、房間數、優先換液房間號等功能。

2 系統實現

2.1 系統硬件的實現

本物聯網環境下的智能輸液系統主要由輸液器、控制芯片（終端芯片和協調器芯片）、液體進度檢測器、智能控流機械開關、顯示模塊、電源這5個部分構成，如圖1所示。

CC2530（無線片上系統單片機）是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。CC2530芯片結合了領先的2.4GHz的RF收發器的優良性能、業界標準的增強型8051單片機、系統內可編程閃存、8KB RAM和許多其他強大的功能。

CC2530內置優良性能的2.4GHzRF（Radio frequency 射頻）收發器，可以實現本設計系統中所需的無線通信功能。業界標準的增強型8051單片機可作為整個系統的控制器，控制液體進度檢測器和智能控流機械開關。

綜上，本設計系統選用了兩塊CC2530開發板作為整個系統的主控芯片。一塊作為接收液體進度檢測器的信號、控制智能控流機械開關、發送需要換液的房間信息的終端芯片;一塊作為接收換液房間信息的協調器芯片。

本系統采用市面上已存在的輸液提醒器中的傳感器芯片作為液體進度檢測器，該傳感器芯片可以感測出是否有物體經過傳感器，當物體從有到無的時候，傳感器有所反應。所以當輸液管中的液體從有到無的時候，傳感器可發送信號至CC2350，CC2530緊接著發送信號到智能控流機械開關，使之夾住輸液管。

仿照輸液器本身帶有的滾輪開關夾住輸液管的原理，利用舵機的轉動帶動有轉輪的指針轉動以達到同樣可以夾住輸液管的目的。因為整個智能控制機械開關具有創新性，所以必須通過在電腦中畫出所構思的結構，采用3D打印機制作出成品。

CC2530的功耗很低，寬電源電壓范圍為（2～3.6V），由3節1.5v的7號電池（共4.5V）串聯后給底板供電，后由ASM1117-3.3穩壓芯片轉壓為3.3v給CC2530核心板供電。

OLED顯示屏具有主動發光、視角范圍大、亮度高、色彩豐富、分辨率高等優點，最主要的是它還具有驅動電壓低、能耗低的優點，符合本設計系統低電壓供電的特點。在本設計系統中，分別在終端和協調器處用到了兩個OLED顯示屏，用于顯示需要換液的房間等信息。

2.2 系統軟件的實現

當系統開機的時候，房間號初始化設置為0000。設置房間號時可以通過終端控制器面板上的S1、S2按鍵進行設置。以4次按下S1鍵為周期，依次分別對房間號進行+1、+100、-1、-100操作，即可方便地設置出任意4位數的房間號，最后再將S2鍵按下確定房間號。

在房間設置確定的同時，液體進度檢測器開始檢測液體進度，當液體流過檢測器的時候，檢測器輸出低電平信號至終端CC2530芯片，進而控制舵機轉動開關盒中的轉動夾體至可以卡死輸液管的角度，然后舵機斷電，夾住輸液管阻止液體流動。當護士換液的時候，按下S1，舵機轉回初始角度松開輸液管。直接進入定時5分鐘鹽水沖洗的環節，在該環節下，終端芯片定時到達5分鐘時，同樣可以使舵機轉動夾住輸液管。如若不需要沖洗環節，則可通過按下S2鍵跳過環節，進行下一次的液體進度檢測。

系統利用終端CC2530芯片和協調器CC2530芯片的RF射頻模塊進行互相通信，當液體流過檢測器檢測時，終端CC2530芯片將房間信息發送至協調器CC2530芯片，并在協調器控制面板上的OLED屏上顯示出來，再通過串口將數據傳輸并顯示在房間號提醒軟件上，便于護士工作。

首先，軟件開啟時，會自動掃描一次可用串口。協調器未接入時，可用串口欄顯示為無串口可用，并且“打開串口”按鈕為不可用狀態。然后，插入協調器，點擊重新檢測鍵，將會顯示出協調器對應的串口數，并且“打開串口”按鈕變為可用狀態。單擊“打開串口”，則開始接收協調器發送過來的數據。當有房間輸液完成時，則會在對應位置顯示房間，并且輸液完成的房間數量相應增加。單擊“刪除當前”可刪除當前房間號，代表護士已處理該房間，同時會給協調器發送指令，同步刪除對應的房間號。如果接收到多個房間號，依舊會顯示最先接收到的房間號，只有在護士按下“刪除當前”后，才會按時間順序顯示后續的房間號。

3 結語

在物聯網的大背景下，醫療系統的物聯網化和智能化也是必然趨勢。此物聯網環境下的智能醫療系統非常符合市場的需求，該系統包含的自動檢測液體進度、自動控流、特殊情況下的定時沖洗輸液管、無線通信、靜音等功能，使輸液治療的病人可以完全不用顧慮正在輸入的液體何時流盡，在安靜的休息中獲得護士的換液，完成輸液療程。在整個輸液治療的過程中，實現了所有流程的自動化智能化，提高了醫院工作的運轉效率，緩解了醫務工作者工作量大、醫患關系緊張等問題。

參考文獻：

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收稿日期：2021-05-26

.作者簡介：包子建（1975—），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要從事物聯網和信息服務方面的教學和研究。