智能输液监控系统设计

王洋+黄其维

摘要：为帮助医院护士人员提高输液的工作效率，实现病人在输液时的无人值守，设计了一款基于电子称原理的智能输液监控系统。该系统以K60单片机（微控制器）为控制核心，以自带放大器的24 位高精度A/D转换芯片 HX711，加上应变电阻构成电子称，以无线NRF24L01与单片机完成组网通讯，上位机程序用C#（C Sharp）语言开发完成。该设计能够完成在电脑端实时显示输液进度，并且显示对应的病床号，对输液进度也能提前预警。经过测试证明，该系统安全可靠，方便实用。

关键词：微控制器；无线通信；上位机；智能输液；液晶显示器

静脉输液是临床医学中常用的辅助医疗手段。目前，对静脉输液的监控普遍采用人工方式，都是由护士陪护，如无陪护或医护人员及时换药或拔针头，将会出现空气进入血管内形空气塞、凝血堵针头等情况。轻则延误治疗，重则发生严重医疗事故。目前，临床上使用的国内外生产的自动输液器大多是蠕动泵式单立输液器，一般只有堵液报警和总量完成报警等功能，不具有集中监控单位输液量的功能；部分医院采用以病人求救线作为CAN总线实现分布式输液监控系统设计取得了一定的成效，但绝大多数中小医院特别是社区医院缺少此类设备。因此，本文针对这些问题，基于单片机技术、无线网络传输技术和上位机技术，研究设计了一套分布式智能输液监控系统，系统能够实现现场按键或上位PC机对点滴输液余量的自动检测控制，利用单片机实时调整液滴速度和LCD显示屏实时显示药液余量，实时监测储液瓶药的余量，当液位超过警戒值時，本地和医护办公室同时报警并显示床位号。

1系统的总体设计方案

根据设计要求分析，每个子节点系统大致分为：主控模块、按键模块、电源模块、数据采集模块、显示模块、无线模块、控制模块。系统结构图如图1.1 所示。

本系统通过电阻应变片传感器完成点滴瓶内液体重量的采集，由单片机MK60DN512Z为核心组成的现场监控完成对采集数据的分析与处理。可按照设定值要求实时控制步进电机以保证滴液速度，若瓶内液位低于设定值时，自动启动报警，提示医护人员换药或拔针。各监控现场控制器通过无线传输芯片NRF24L01实现与控制总站的数据通信，控制总站核心控制器MK60DN512Z与上位机通过USB接口连接。上位机采用普通PC机，通过USB通信适配器与工作总站相连，进行信息交换，负责进行整个系统的监视管理。工作总站控制器接收上位PC机的各种操作控制命令和设定参数；各现场控制器实时采集各模拟量输入通道值，控制信号。上位PC机实时监视各点滴吊瓶内药液余量，并可进行现场余量的实时监控。系统以MK60DN512Z单片机为监控节点控制器，将其与现场滴液余量检测、报警电路、显示电路、按键电路等相连，构成监控网络中的一个智能节点；并控制由NRF24L01无线收发芯片及外围电路构成的无线通信系统进行数据传输，将控制总站与各现场监控节点相联，实时监控各设备状态，并可实现监控方案下载更新，无需另外布线，整个系统结构简单，大大节省了传统网络控制系统建设带来的人力物力的消耗。

2 设计原理

系统现场点滴余量检测采用电阻应变片传感器技术实现。将电阻应变片构成全桥电路置于点滴杆上，通过采集全桥电路的输出电压值的大小。电压值大小的变化即代表点滴重量的变化。因此，通过检测输出电压的变化，即可探测出点滴的药液余量；若系统检测到的药液余量小于设定余量时，则通过现场单片机控制器产生报警信号驱动蜂鸣器报警。同时在本设计中，还利用蠕动泵来改变点滴速度，并通过按键设定点滴速度的大小，LCD显示器显示药液余量、报警时间等参数。

3 硬件方案设计

智能输液监控系统设计主要包括现场监控子站、控制总站以及上位PC机三部分组成。其中，监控子站检测电路等设计是本设计中的重点。故下面仅对系统想常监控子站部分功能模块进行分析设计。

3.1无线模块的设计

该无线模块是系统和单片机与上位机（计算机应用软件）之间数据交换的桥梁，是系统正常工作必不可少的部分。

3.2电源模块的设计

系统电源是系统工作必要的一个部分。为了保证控制系统与电子称模块的稳定运行，避免模块之间的互相干扰，在该系统中使用了LM2940-5.0V 稳压芯片和三个AMS1117-3.3V稳压芯片对整个系统供电。对于该电源芯片的使用非常简单，只需要在输入端输入大于5V 小于10V 的电压，输出端就可以得到5V和3.3V电压。

3.3显示模块的设计

为了让输液端也能实时的看到输液进度，因此采用具有体积小巧，功耗低，操作简单等特点的TFT显示屏来显示输液进度的相关信息。

3.4按键模块的设计

为了便于护士调整输液端的零点，以及控制输液的开始，以及控制病人呼叫医生等等。

3.5 A/D模块的设计

为了实现实时监测输液进度的功能，本设计采用电子称称重量的方式来模拟确定输液进度。电子称模块是使用四个应变片构成电桥将电桥的四个连接线接HX711 带运放的24 位高精度ADC 构成。

3.6 12V升压模块设计

电机驱动芯片采用COMS管组成的H桥电路，需要用到12V电源，采用集成芯片升压，完成电机正反转驱动。

3.7 上位机方案设计

开发工具基于windows平台进行开发，开发语言C#（C Sharp），开发环境VS2015，运行与.NET平台，使用MFC、windows API和自己创建控件进行界面设计，界面主体包括一个主窗体和大量子窗体，功能上主要实现接收显示NRF24L01模块获得的输液信息。

4 软件方案设计

系统设计使用到的东西都需要程序来控制，因此需要对各个模块编写驱动程序，当需要操作这些模块只需要调用函数库里面的函数即可。首先需要进行各个模块的初始化，如TFT液晶显示模块、I/O 口、定时器等。在初始化完成后输液端就开始检测是否存在网路节点，有的话则加入，加入之后检测当前的输液状态，如果检测到正在输液则检查输液进度，然后发送数据到监控端，输液完成后回到检测是否正在输液。而在监控端则查询是否有网络加入，如果有网络加入，则检测是否正在输液，如果正在输液则显示对应病床号的输液进度，输液即将结束就提前报警告知护士人员，输液完成回到检测是否正在输液。

5 系统总结

系统通过采用电阻应变片测量药液余量的方案：利用电阻应变片采集药液的重量，从而显示药液余量。经过多次实验验证。由测试实验结果可看出，当药液余量不足2%时则自动报警的时间较为精确。另外，若能将传感器采值得精确度提高，则系统的调整时间还可能缩短。

智能输液监控系统可方便地实现多点输液注射过程中的集中监控与管理，改善了医护人员的工作条件，减少了医护人员工作量及监护不当造成的医疗事故，把医护人员彻底从烦琐的劳动中解放出来，具有性能稳定、响应速度快、成本低廉、操作简便等优点，滴速及储液瓶内液位监视报警输出信号可靠、准确，具有较高的实用价值和经济效益，在医疗卫生领域具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础（第5 版）[M].高等教育出版社，2006.

[2]牛百齐. 基于单片机的电容测量仪设计[J].仪器仪表用户，2005，12（4）：29-30.

[3]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第4 版）[M].高等教育出版社，2006.

[4]刘明亮. 振荡器的原理和应用[M].北京： 高等教育出版社，1983.

[6]闫玉德， 等.MCS：51 单片机原理与应用：C语言版[M].机械工业出版社，2004.

[9]丁金林.智能LRC 测量仪的设计.苏州市职业大学学报.2010 年第6 期

[11]李华等.MCS-51 单片机实用接口技术[M].北京航空航天大学出版社.

[12]黄川.智能电阻、电容、电感测试仪设计.科技资讯.2009.08.

[13]周民德.微机原理与接口技术.北京：人民邮电出版社，2002.

[14]刘新如何正确使用LRC测试仪测量电子元件[J].计量与测试技术，2006，33（5）：2-4.

[16]韦以明.基于传感中低Q电感的测量[J].现代电子技术，2007，1（11）：138-140.

[17]陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器[M].北京：电子工业出版社，2005.