基于STM32的输液监控系统设计与实现*

刘 刚，凌 强，徐 骏，李博伦，李 峰，王 嵩

(中国科学技术大学 自动化系，安徽 合肥 230027)

基于STM32的输液监控系统设计与实现*

刘 刚，凌 强，徐 骏，李博伦，李 峰，王 嵩

(中国科学技术大学 自动化系，安徽 合肥 230027)

为实现静脉输液的智能化与网络化，研制了一套以STM32为核心的输液监控系统。该系统具有液滴检测、液滴速度显示与控制、余液显示、无线通信和声光报警等功能。系统采用红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落情况，用步进电机及配套传动装置控制液滴流速，用OLED显示屏显示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模块实现无线通信。若发生异常情况，利用蜂鸣器和LED灯进行声光报警，相关人员可根据提醒及时处理。该系统具有很好的应用前景。

输液监控；STM32；无线通信；步进电机

0 引言

静脉输液是临床医学中最常用的辅助医疗方法之一。据统计，80%以上的住院患者接受静脉输液治疗[1]。在患者进行输液治疗的过程中，医护人员会根据药液和患者病情选择适宜的输液速度。目前，大部分医院仍然依据医护人员的经验通过人工调整输液管的流速调节器来控制输液速度，这具有很大的不确定性。同时，患者、陪侍或医护人员需要监视药液余量情况，这增加了护理人员的工作强度和意外情况发生的可能。

本文研制了一套基于STM32的输液监控系统来替代人工监护。系统采用红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落情况，用步进电机及配套传动装置控制液滴速度，用OLED显示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模块实现与PC机的无线通信。通过观察上位机的监控管理软件，医护人员可实时掌握多个病人的输液进程。若发生异常情况，蜂鸣器和LED灯会进行声光报警，相关人员可根据提醒及时处理。该系统不但提高了患者输液时的舒适程度，提高了静脉输液的治疗效果，还降低了护理人员的劳动强度，减轻了医护人员的工作压力。

1 系统组成和工作原理

1.1 系统组成

基于STM32的输液监控系统的结构组成如图1所示。主要包括红外液滴检测模块、按键模块、步进电机及其驱动电路、输液关断传动装置、无线通信模块、显示模块、报警模块等。该系统采用性能优越、功耗低的32 位微处理器STM32F103ZET6作为控制核心。

图1 系统的结构组成

1.2 工作原理

系统的工作原理：初始状态时，步进电机控制传动装置挤压关断输液管，此时液滴无法滴落。医护人员根据药液属性和患者情况设定输液速度，微处理器控制步进电机顺时针转动，步进电机通过齿轮组带动传动装置的丝杆-螺母机构转动。传动装置逐渐减缓对输液管的挤压，因此，输液管内越来越多的药液通过挤压处。液滴检测模块的红外对管实时监测液滴滴落情况，检测电路将红外对管监测到的液滴滴落情况转换为高低电位传送给微处理器处理。微处理器将高低电位情况转换为实时速度并设定速度比较，当实时速度等于设定速度时，微处理器控制步进电机停止转动，与步进电机相连的传动装置也停止运动，流经输液管挤压处的药液流量恒定，输液速度不再变化。微处理器将输液速度、药液剩余量以及预测输液结束时间等数据通过无线通信模块传送给PC机，医护人员观察监控软件管理界面的显示情况进行处理。患者通过OLED显示模块观察输液速度和预测输液结束时间等情况。如若需要，患者可根据自身情况通过按键向上或向下调整输液速度。微处理器通过控制步进电机顺时针或逆时针转动来增加或降低输液速度。当输液剩余量低于设定值时，微处理器通过控制步进电机逆时针转动来关断输液，通过LED灯闪烁和蜂鸣模块报警来提醒患者，监控管理软件通过高亮显示剩余输液量来提示医护人员进行处理。

2 系统硬件设计

由系统组成可知，系统包含了较多的硬件单元，本文重点介绍红外液滴检测、输液关断、无线通信三个核心单元。

2.1 红外液滴检测

液滴信号的精确采集是计算滴速的前提，信号采集既要确保不会漏检，又要符合卫生需要，不能接触药液。为此，采用红外光电传感技术，将红外对管的发射管和接收管分别安装在莫菲氏滴管的两侧[2]。红外对管供电正常工作时，发射管发射红外光，红外光穿过莫菲氏滴管照射到接收管，接收管将接到的光强转换为电流。若莫菲氏滴管内无液滴滴落时，红外光光强损失小，接收管转换的电流较强；莫菲氏滴管内有液滴滴落时，红外光光强损失大，接收管转换的电流较弱。利用此原理，设计如图2所示的电路，将电流变化转化为电压变化，从而将药液滴落情况转换为电压的变化情况。

图2 红外液滴检测电路图

如图2所示，在5 V电源系统供电的情况下，红外发光二极管的发光频率由音频译码器LM567决定。当莫菲氏滴管内无液滴滴落时，接收管能接收到红外发光二极管发出的光，从而产生较强电流。电流足以使接收管内的三极管导通，三极管所在支路产生与二极管所在支路频率相同的电流。经过双运算放大器LM358的放大和反相，音频译码器LM567的3脚输入信号与中心振荡信号(图中输出信号)一致，根据音频译码器LM567的工作原理，8脚输出为0 V低电平。当莫菲氏滴管内有液滴滴落时，接收管接收到红外发光二极管发出的部分光，从而产生较弱的电流。电流不足以使接收管内的三极管导通。双运算放大器LM358的U1输入端输入信号与发光二极管的电流频率不一致，故而音频译码器LM567的3脚输入信号与中心振荡信号不一致，根据音频译码器LM567的工作原理，8脚输出为5 V高电平。

当药液不断滴落时，音频译码器LM567的8脚输出端口形成一个标准的矩形波正向脉冲。低电平表示无液滴滴落，高电平表示有液滴滴落。将LM567的8脚输出端连接到STM32的I/O端口上，利用定时器的输入捕获功能可测量出两个上升沿的时间间隔，也就是两个液滴之间的时间间隔，从而计算出液滴滴落速度。

2.2 输液关断

系统采用Φ15mm步进电机和丝杆-螺母机构作为输液关断装置。STM32微处理器通过L293D驱动步进电机转动，与步进电机相连的齿轮组也随之转动。丝杆-螺母机构固定在齿轮组最后一级的齿轮上。固定螺母的横向转动，螺母就会在丝杆转动的情况下轴向移动。输液关断装置正是利用螺母的轴向移动来挤压输液管，达到控制输液速度的目的。

由于STM32的负载能力有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在STM32和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载能力。系统采用L293D作为驱动芯片，该芯片完全能满足驱动需求。

步进电机是纯粹的数字控制电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移。由于选用的Φ15mm步进电机为两相四线步进电机，故STM32须输出四路脉冲信号控制电动机转动相位角。四路脉冲信号要按照步进电机的工作原理输入，本系统采用四相四拍脉冲输入，输入波形如图3所示。

图3 四相四拍脉冲波形

2.3 无线通信

系统上位机和下位机间的信息交换方式采用串行通信，通信的转换方式采用RS232全双工配置。下位机STM32的异步串行接口与RS232标准串行通信电路之间通过通信接口芯片MAX3232转换信号电平，再经过USR-WIFI232芯片实现串口到WiFi数据包的双向透明转发，上位机安装WiFi数据收发模块，从而实现无线通信[3]。上位机可收发多个下位机的数据，实现监控的网络化。无线通信单元的外部电路连接如图4所示。

图4 无线通信单元的外部电路连接

上位机主动查询下位机的应答信号，若一次收不到应答，则再发送一次查询信号；若连续三次收不到应答，则说明系统出现故障，自动报警。如果系统给出应答，则双方按照规定的通信协议进入数据通信状态。 该无线通信单元安全可靠、抗干扰能力强，室内通信传输距离可达50～60 m。

3 系统软件设计

该系统的软件部分可分为上位机监控管理软件和嵌入式程序两部分。其中，嵌入式程序包括主程序、滴速测量、速度控制、按键设置、OLED显示、无线通信、报警等程序单元。本文只介绍上位机监控管理软件、滴速测量子程序和无线通信子程序三个重点模块。

3.1 上位机监控管理软件

上位机监控管理软件用于帮助医护人员远程实时监控患者的输液情况，通过设定和修改相关参数改变输液进程。

上位机监控管理软件是在VS2013平台下用C#语言编写而成，其结构组成如图5所示。B/S模式的前台网页服务程序由三部分组成：系统登录界面程序、系统监测界面程序和系统用户操作界面程序。对登录的用户采取权限处理，权限不同登录的界面不同，进而操作也不同。C/S模式下的Windows后台服务程序，通过Socket通信与WiFi进行数据传输，并且通过SQL语句把从服务器上得到的数据存入数据库，对数据进行进一步加工，生成可视化内容供医护人员参考，进而做出相应决策。

3.2 滴速测量子程序

由前述可知，液滴检测电路将液滴滴落的情况转换为高低电平信号，低电平代表无液滴滴落，高电平代表捕获到液滴滴落，液滴不停地滴落形成PWM波形。利用STM32的定时器可实现PWM的周期测量。简单地说就是，定时器检测到上升沿时开始计数，当检测到下一次上升沿时，将当前计数值存放到对应通道的捕获/比较寄存器中，完成PWM的周期测量。

定时器测定的周期为两个液滴滴落的时间间隔，记为T，选取计时精度为1 ms。为了便于观察，通常记录滴速的单位为：滴/min，因此计算滴速的公式为：V=60*1000/T。由于液滴滴落情况易受环境影响，波动较大，为提高滴速测量精度，采用连续测量3个液滴取平均速度的方法。实践表明，此种测量方案完全能够达到测量精度要求。滴速测量子程序流程图如图6所示。

图6 滴速测量子程序流程图

3.3 无线通信子程序

硬件搭建完成后，首先进行初始化。初始化的主要内容是设置波特率和服务器IP地址，系统的波特率设置为57 600 b/s，服务器IP地址为：10.10.100.254。初始化完成后，点击建立TCP连接，USR-WIFI232芯片进入监测状态，准备数据接收。

当USR-WIFI232芯片接收到程序设置的相应频段的载波信号且接收到信号的地址信号与程序设置吻合时，芯片配对成功。设置芯片的工作模式为接收，上位机通过WiFi网络，以设定的波特率把数据传输到STM32内。随后，STM32通过 RS232串口将反馈信号传输至芯片，更改芯片工作模式为发送，反馈信号再通过WiFi网络发送至监控管理软件，系统完成一次循环[4]。重新设置芯片的工作模式为接收，重复以上过程，系统开始新的循环，接收新数据。无线通信子程序流程图如图7所示。

图7 无线通信子程序流程图

4 结束语

本文深入地分析了基于STM32的输液监控系统的工作原理和实现细节。该系统能够精确地测量和调整滴速。系统具有无线通信功能，实现了一机多能、一机多用，便于医护人员集中管理，大大减轻了医护人员的工作强度。测试结果表明，该系统安全、可靠、精度高，具有广阔的应用前景。

[1] 刘枝国，刘世华. 静脉输液质量与风险处理预案[M]. 长沙：湖南科学技术出版社，2008.

[2] 陈宇，王玺. 基于光电技术智能输液监控系统设计[J]. 核电子学与探测技术，2009，29 (5)：1149-1154.

[3] 冯爽，蒋念平. 基于STM32的无线数据传输综合应用[J]. 计算机系统应用，2012，21 (9)：228-231.

[4] 杨光伟，钱志余，李韪韬，等. 一种新型智能输液监护系统的研制[J].生物医学工程研究，2011， 30(1)：1-5.

Design and implementation of transfusion monitoring systems based on STM32

Liu Gang， Ling Qiang, Xu Jun, Li Bolun, Li Feng, Wang Song

(Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China)

In order to realize intelligent and networked intravenous transfusion, a monitoring system based on STM32 is developed. The system can perform liquid drop detection, liquid drop speed display and control, residual liquid display, wireless communication, sound and light alarm, etc. In this system, infrared tube is used to detect whether the drop in the Murphy tube is falling, step motor and its auxiliary drive devices are used to control liquid drop speed, the liquid drop speed and the residual liquid volume are displayed by OLED, wireless communication is realized by WIFI232. In the abnormal case, the alarming of buzzer and LED lights will alert to catch the attention of nurses. This system has great application potentials.

transfusion monitoring; STM32; wireless communication; step motor

国家自然科学基金(61273112)

TP23

A

1674-7720(2016)01-0091-04

刘刚，凌强，徐骏，等.基于STM32的输液监控系统设计与实现[J].微型机与应用，2016，35(1)：91-94.

2015-09-01)

刘刚(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统。

凌强(1975-)，通信作者，男，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：网络化控制、嵌入式系统。E-mail: qling@ustc.edu.cn。

徐骏(1977-)，男，实验师，主要研究方向：嵌入式系统。