基于CDIO的病房無人看護系統綜合設計性實驗項目研究

摘 要：為了訓練學生的電子系統設計能力，培養學生掌握基于CDIO理念的工程設計方法，對電子技術綜合課程設計的項目進行了改革和探索，引入了病房無人看護系統的綜合性設計實驗項目。該項目包括下位機智能輸液儀、上位機軟件、LED點陣顯示模塊的設計。下位機智能輸液儀能在輸液時實現輸液自動控速、輸液自動換瓶、病房溫度檢測、病房呼叫功能。上位機軟件能實時檢測各個病房的下位機信息，主要包括病房溫度、點滴速度、輸液瓶號、輸液進度、病人呼叫、病人突發情況警報，并且能發出控制信號控制下位機智能輸液儀的參數設定。LED點陣能實時顯示各個病房的輸液情況，更方便觀察各病房的輸液進度。本項目涉及本科階段電子信息類專業的傳感器技術、軟件編程技術、單片機技術、通信技術等方面的課程知識，具有很強的綜合性，有利于提高學生設計復雜電子系統的能力及實踐創新和工程應用能力。

關鍵詞：智能輸液；無人看護系統；自動控速；自動換瓶；無線通信；CDIO

中圖分類號：TP39；TN95 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.026

0 引 言

CDIO項目式教學包括構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運作（Operate），是近年來國際工程教育改革的最新成果，也是我國發展“新工科”工程認證過程中所提倡的教學模式[1-2]。CDIO創新與工程實踐教學模式能夠將課程與學生的工程實踐能力培養相結合，通過基于問題、基于項目、基于案例的融合多學科和行業前沿知識的學習和實踐，將通識教育與專業教育融合，將行業新技術、原理和方法融入專業課程教育體系，促進課程和實踐體系的更新，培養學生具備新工科專業建設能力，具備運用多學科知識、原理和方法解決工程問題并預見挑戰的能力，從而支持我校培養出符合新興產業和新經濟形態需要的工程能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才。引入病房無人看護系統的綜合設計性實驗項目，可以很好地踐行CDIO的教學理念，訓練學生的工程實踐和工程設計

能力[3]。

1 病房無人看護系統綜合設計性實驗的設計任務和

系統功能

實驗設計任務如下：

（1）點滴流速的檢測和控制：初步設定相關的參數后系統自動運行監控，若出現異常情況則及時預警，以達到點滴輸液時不用人看護的目的。

（2）輸液自動換瓶：若當前輸液瓶輸液完成則自動更換下一瓶繼續輸液。

（3）病房呼叫：病人及家屬可在需要時直接按下設置好的呼叫開關，系統會自動發送消息至PC終端，通知護士。

（4）突發情況報警：對病房出現的一些突發情況進行報警，通知PC終端。

（5）設計相配套的管理軟件，使醫務人員能及時掌握病人及病房的相關信息并儲存，并且能調控各病房的環境。

系統功能如下：

（1）實現輸液的自動換瓶；

（2）實現點滴自動調速[2]；

（3）存取有關數據與控制的參數；

（4）通過軟件對病房輸液情況進行監控和控制。

2 綜合設計性實驗項目的開發

本實驗項目采用學生分組實驗的方式來實施，三人一個小組，每個小組根據學生的特長分配實驗內容；學生根據分配的實驗內容，實現模塊電路的設計，然后再實現系統集成，整個操作流程符合企業的項目運作流程；項目完成以后，每個小組要進行項目答辯和實物驗收。本實驗項目的整體框圖如圖1所示。系統由下位機智能輸液儀和上位機實時監控軟件及LED點陣顯示屏3部分組成。各部分通過無線網絡進行通信。智能輸液儀包含滴速檢測模塊、滴速控制模塊、換瓶信號檢測模塊、自動換瓶模塊、溫度檢測模塊、呼叫模塊、4×4矩陣鍵盤模塊、LCD12864顯示模塊和主控制器。下位機將各個傳感器模塊采集的實時數據，如病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數、輸液剩余時間及儀器狀態信息，通過無線通信傳送至上位機監控軟件和LED點陣顯示屏，方便醫院護士對各個病房床位的輸液情況進行監測；另外護士也可以通過上位機修改和控制病人的輸液速度、執行換瓶動作，極大地減輕了護士的工作量，同時也保證了輸液換瓶的實時性和輸液速度的穩定性。

利用護士站的微型計算機分別控制每個病房的溫度和每個病床的輸液情況。該系統的具體運行流程為：第一步，工作人員設置好智能輸液器的參數；第二步，由下位機（點滴檢測與控制子系統、溫度檢測子系統）采集各種信息并將采集到的信息傳送給數據處理模塊進行處理后，通過串口通信把相應模塊的信息傳送給上位機（計算機控制端）；第三步，醫生或護士等管理者通過計算機的管理軟件查看由各病房的下位機傳送來的信息，并且發送控制信息給下位機，由下位機去執行，完成管理者的任務[3]。

3 綜合設計性實驗硬件電路設計

3.1 RS 232/485轉換電路

RS 232/485轉換器主要包括電源、RS 232電平轉換電路、RS 485電路3部分[4]。本電路的RS 232電平轉換電路采用了MAX232集成電路，RS 485電路采用了MAX485集成電路。為了使用方便，電源部分設計成無源方式，整個電路的供電直接從PC機的RS 232接口中的DTR（4腳）和RTS（7腳）

獲得。PC串口的每根線可以提供大約9 mA的電流，因此兩根線提供的電流就足夠供給這個電路使用了。MAX485通過RE（2腳）和DE（3腳）兩個引腳來控制數據的輸入和輸出。當RE為低電平時，MAX485數據輸入有效；當DE為高電平時，MAX485數據輸出有效。在本系統中將這兩個引腳直接相連，然后通過PC輸出的高低電平就可以實現MAX485在接收和發送狀態之間的轉換。具體電路如

圖2所示。

3.2 滴速檢測模塊

將紅外發射管與紅外接收管安放在輸液管液滴可見區的兩側，當有液滴通過時紅外發射管發出的紅外信號受到液滴的折射作用，導致射入紅外接收管的紅外信號強度變弱。利用這種差別，將信號進行濾波放大后得到單片機能直接識別的電平信號[5]。具體電路如圖3所示。

3.3 滴速控制模塊

輸液速度控制要求快速準確，為了達到這樣的效果，在硬件設計上采用壓迫式方法對輸液管進行不同強度的壓迫，從而準確地控制液滴的速度。滴速控制模塊采用大扭力電機作為動力源，并通過絲桿傳動將電機轉動轉換為水平滑動，從而壓迫輸液管控制滴速。具體電路如圖4所示。

3.4 換瓶信號檢測模塊

為了進行換瓶控制，需要得到輸液瓶的液位信號，這樣才能準確地把握換瓶時機。對于換瓶信號的檢測，由于有了液滴檢測作為前提，因而考慮同樣采用紅外檢測的方式。將紅外發射管和接收管置于輸液瓶正下方，當輸液瓶內有液體時紅外接收管收到較弱的紅外信號，當輸液瓶內無液體時紅外接收管接收到較強的紅外信號，將這種差別通過放大電路放大后得到準確的結束信號。將紅外發射管與紅外接收管安放在輸液瓶口正下方，當瓶內藥物低于紅外發射管時，射入紅外接收管的紅外信號強度變強。利用這種差別，將信號進行濾波放大后得到單片機能直接識別的電平信號[6]。

3.5 自動換瓶模塊

對需要更換的輸液瓶進行自動換瓶，實現無人操作，保證輸液換瓶的穩定性和可靠性。輸液換瓶是本項目的核心內容，本文提出采用倒置輸液瓶換瓶法。在正常輸液時待用的輸液瓶是瓶口朝上的，當上一瓶輸液完畢時，通過舵機準確地控制待用輸液瓶向下旋轉180°，這時藥物就能順利向下流動，從而實現換瓶。舵機控制器通過生成周期為20 ms的脈沖信號（其中高電平時間在500 μs～2 ms范圍內）來精確控制舵機的轉動角度，進而控制輸液瓶的倒置，實現自動換瓶。具體結構如圖5所示。

3.6 溫度檢測和聲音提示模塊

溫度檢測模塊負責實時采集病房溫度，并傳送至上位機。聲音提示模塊在輸液完成時會通過下位機發出相應的聲音，提示家屬或病人。溫度檢測采用的是集成溫度芯片DS18B20，DS18B20是一種單總線的溫度芯片，測溫范圍為-55～125 ℃，完全能夠滿足病房溫度采集的需求，并且穩定性高。聲音提示采用蜂鳴器，蜂鳴器提示音大小適中，電路簡單。

3.7 輸液控制器顯示模塊

該模塊負責對輸液信息進行設定和顯示，提供人機交互接口。由于設定參數所用的按鍵相對較多，本文采用4×4矩陣鍵盤。LCD顯示屏在醫療領域應用得較多，性價比較高，因此本文采用LCD12864液晶屏作為輸液控制模塊的顯示設備。

3.8 LED點陣顯示屏

采用LED點陣顯示屏顯示輸液病人所在病房和病床以及輸液完成等提示信息。點陣屏隨著輸液病人數量的變化顯示不同的信息，能夠及時顯示即將結束輸液的病人信息，并及時提醒管理人員。本設計使用了數組存儲法，利用輸液床位的標號設置數組的值，并且數組元素的值和下標相等，再在數組中查找和計算非零元素的總個數，點陣屏隨非零元素的個數和非零元素的下標變化顯示正在輸液的病人所在房間和床位。因此該顯示屏能動態地顯示正在輸液的病人的床位信息。具體原理如圖6所示。

4 綜合設計性實驗主要軟件設計

4.1 上位機監控軟件設計

如圖7所示，上位機軟件負責實時監控床位，顯示輸液過程中的信息，必要時可以設置輸液控制器參數，顯示病人病情以及各種需求，提供報警信號，實現多機通信，進而監控所有床位。PC串口通信上位機能夠對單片機發送來的數據進行顯示，其關鍵在于數據接收的準確性和完整性。由于此系統為多機通信系統，因此必須事先設置好通信協議。為防止數據接收中斷而導致程序卡死或數據接收不連續等問題，本通信協議規定每幀數據發送13個字節，并且各字節代表不同的含義，第1字節為地址信號，末尾字節為停止信號，倒數第2、3字節為校驗碼。當PC軟件收到來自多個從機發出的信號時，PC軟件必須挑選一個從機的信息進行顯示，因此可以在接收到數據時把各數據用文件存儲起來，當選擇到某個房間的某床位時再具體顯示該床位信息，以此解決顯示混亂問題。

為了方便用戶使用軟件并為醫生提供參考，軟件中設計了床位信息編輯頁，方便醫生解決病人的就醫問題。用戶的床位監控數據、數據接收端口信息、參數的設置最終會被發送給主程序，主程序再將這些數據存儲在文件中，當要使用這些數據時再從文件中調用這些數據，并顯示在軟件界面數碼管上。另外主程序也可以將這些數據通過串口發送給輸液控制器[7]。

原理說明：當上位機軟件啟動時，若是第一次啟動，則會創建文件，初始化參數；若不是，則程序等待定時器函數的響應。在定時器函數里面，主程序會設置多種發送數據的狀態，每一種狀態對應不同的功能，以實現數據的接收和發送。接收的數據和用戶設置的信息都會被以文件的方式存儲起來，以便后續能夠根據用戶的設置來動態地展示數據，避免出現混亂。數據發送函數采用重載函數的形式實現，進而在不同的數據發送過程中實現不同功能。

控制說明：打開軟件時首先選擇串口號，然后按下“打開串口”按鈕，這時按鈕會變成“關閉串口”；選擇相應的房間和床位，數碼管會顯示床位的信息，若需設置輸液參數，可按下“重設滴速”或“重設容量”按鈕，也可以選擇報警音樂實現報警。

4.2 下位機總體程序流程

下位機總體流程如圖8所示，通過該程序完成了病房溫度、輸液速度、輸液容量、輸液瓶數、輸液剩余時間及儀器狀態信息的采集，并實現了輸液的滴速控制和換瓶控制。

5 綜合設計性實驗效果展示

根據系統設計方案，學生小組經過共同努力，完成了病房無人看護系統的軟硬件設計，實現了一個完整的電子系統，給出了模型設計和系統設計效果圖。關鍵部分效果圖如圖9和圖10所示。

6 結 語

在對電子技術綜合課程設計的項目進行改革和探索的過程中，引入了病房無人看護系統的綜合性設計實驗項目，并在我校電子信息工程、電子科學與技術和通信工程3個專業進行了教學實踐，得到了較好的效果，學生熟練掌握了基于CDIO[8-10]工程實踐的流程，并加強了學生的團隊合作意識。經過教學實踐獲得以下體會：學生在總體方案上基本保持一致，但是在模塊電路的制作上可以充分發揮能動性，制作出不一樣的電路；小組的匯報答辯非常重要，可以很好地鍛煉學生對項目開發的總結能力，也可以學習不同小組在系統設計方案方面的優點，擴大學生的知識面，提高交流能力；實物的制作可以很好地鍛煉學生的實踐動手能力和機械模具的設計能力，拓寬學生的專業知識面。

注：本文通訊作者為梁曉琳。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-07 修回日期：2023-11-06

基金項目：2024年度湖南省大學生創新訓練計劃項目資助（4762）

作者簡介：李 浩（2005—），男，湖南祁東人，研究方向為電子與信息工程。

包本剛（1976—），男，湖南永州人，碩士，教授，研究方向為高教管理、集成電子電路設計和測試。