摘要：為實(shí)現(xiàn)靜脈輸液的智能化與網(wǎng)絡(luò)化,，研制了一套以STM32為核心的輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有液滴檢測,、液滴速度顯示與控制,、余液顯示、無線通信和聲光報(bào)警等功能,。系統(tǒng)采用紅外對管檢測莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況,，用步進(jìn)電機(jī)及配套傳動裝置控制液滴流速，用OLED顯示屏顯示液滴速度及剩余液量,，用WIFI232模塊實(shí)現(xiàn)無線通信,。若發(fā)生異常情況，利用蜂鳴器和LED燈進(jìn)行聲光報(bào)警,，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時處理,。該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：輸液監(jiān)控,；STM32,；無線通信；步進(jìn)電機(jī)

0引言

　　靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中最常用的輔助醫(yī)療方法之一,。據(jù)統(tǒng)計(jì),，80%以上的住院患者接受靜脈輸液治療［1］。在患者進(jìn)行輸液治療的過程中,，醫(yī)護(hù)人員會根據(jù)藥液和患者病情選擇適宜的輸液速度,。目前，大部分醫(yī)院仍然依據(jù)醫(yī)護(hù)人員的經(jīng)驗(yàn)通過人工調(diào)整輸液管的流速調(diào)節(jié)器來控制輸液速度,，這具有很大的不確定性,。同時，患者,、陪侍或醫(yī)護(hù)人員需要監(jiān)視藥液余量情況,，這增加了護(hù)理人員的工作強(qiáng)度和意外情況發(fā)生的可能,。

　　本文研制了一套基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)來替代人工監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)采用紅外對管檢測莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況,，用步進(jìn)電機(jī)及配套傳動裝置控制液滴速度,，用OLED顯示液滴速度及剩余液量，用WIFI232模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的無線通信,。通過觀察上位機(jī)的監(jiān)控管理軟件,，醫(yī)護(hù)人員可實(shí)時掌握多個病人的輸液進(jìn)程。若發(fā)生異常情況,，蜂鳴器和LED燈會進(jìn)行聲光報(bào)警,，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時處理。該系統(tǒng)不但提高了患者輸液時的舒適程度,，提高了靜脈輸液的治療效果,，還降低了護(hù)理人員的勞動強(qiáng)度，減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作壓力,。

1系統(tǒng)組成和工作原理

　　1.1系統(tǒng)組成

　　基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示,。主要包括紅外液滴檢測模塊、按鍵模塊,、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路,、輸液關(guān)斷傳動裝置、無線通信模塊,、顯示模塊,、報(bào)警模塊等。該系統(tǒng)采用性能優(yōu)越,、功耗低的32 位微處理器STM32F103ZET6作為控制核心,。

　　1.2工作原理

　　系統(tǒng)的工作原理：初始狀態(tài)時，步進(jìn)電機(jī)控制傳動裝置擠壓關(guān)斷輸液管,，此時液滴無法滴落,。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)藥液屬性和患者情況設(shè)定輸液速度，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動,，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪組帶動傳動裝置的絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動,。傳動裝置逐漸減緩對輸液管的擠壓，因此,，輸液管內(nèi)越來越多的藥液通過擠壓處,。液滴檢測模塊的紅外對管實(shí)時監(jiān)測液滴滴落情況，檢測電路將紅外對管監(jiān)測到的液滴滴落情況轉(zhuǎn)換為高低電位傳送給微處理器處理,。微處理器將高低電位情況轉(zhuǎn)換為實(shí)時速度并設(shè)定速度比較,，當(dāng)實(shí)時速度等于設(shè)定速度時，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，與步進(jìn)電機(jī)相連的傳動裝置也停止運(yùn)動,，流經(jīng)輸液管擠壓處的藥液流量恒定,，輸液速度不再變化。微處理器將輸液速度,、藥液剩余量以及預(yù)測輸液結(jié)束時間等數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳送給PC機(jī),，醫(yī)護(hù)人員觀察監(jiān)控軟件管理界面的顯示情況進(jìn)行處理?；颊咄ㄟ^OLED顯示模塊觀察輸液速度和預(yù)測輸液結(jié)束時間等情況,。如若需要，患者可根據(jù)自身情況通過按鍵向上或向下調(diào)整輸液速度,。微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)順時針或逆時針轉(zhuǎn)動來增加或降低輸液速度,。當(dāng)輸液剩余量低于設(shè)定值時，微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動來關(guān)斷輸液,，通過LED燈閃爍和蜂鳴模塊報(bào)警來提醒患者,，監(jiān)控管理軟件通過高亮顯示剩余輸液量來提示醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行處理。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　由系統(tǒng)組成可知,，系統(tǒng)包含了較多的硬件單元，本文重點(diǎn)介紹紅外液滴檢測,、輸液關(guān)斷,、無線通信三個核心單元。

　　2.1紅外液滴檢測

　　液滴信號的精確采集是計(jì)算滴速的前提,，信號采集既要確保不會漏檢,，又要符合衛(wèi)生需要，不能接觸藥液,。為此,，采用紅外光電傳感技術(shù)，將紅外對管的發(fā)射管和接收管分別安裝在莫菲氏滴管的兩側(cè)［2］,。紅外對管供電正常工作時,，發(fā)射管發(fā)射紅外光，紅外光穿過莫菲氏滴管照射到接收管,，接收管將接到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流,。若莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時，紅外光光強(qiáng)損失小,，接收管轉(zhuǎn)換的電流較強(qiáng),；莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時，紅外光光強(qiáng)損失大,，接收管轉(zhuǎn)換的電流較弱,。利用此原理，設(shè)計(jì)如圖2所示的電路，將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化,，從而將藥液滴落情況轉(zhuǎn)換為電壓的變化情況,。

　　如圖2所示，在5 V電源系統(tǒng)供電的情況下,，紅外發(fā)光二極管的發(fā)光頻率由音頻譯碼器LM567決定,。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時，接收管能接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光,，從而產(chǎn)生較強(qiáng)電流,。電流足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通，三極管所在支路產(chǎn)生與二極管所在支路頻率相同的電流,。經(jīng)過雙運(yùn)算放大器LM358的放大和反相,，音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號與中心振蕩信號（圖中輸出信號）一致，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理,，8腳輸出為0 V低電平,。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時，接收管接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的部分光,，從而產(chǎn)生較弱的電流,。電流不足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通。雙運(yùn)算放大器LM358的U1輸入端輸入信號與發(fā)光二極管的電流頻率不一致,，故而音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號與中心振蕩信號不一致,，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理，8腳輸出為5 V高電平,。

　　當(dāng)藥液不斷滴落時,，音頻譯碼器LM567的8腳輸出端口形成一個標(biāo)準(zhǔn)的矩形波正向脈沖。低電平表示無液滴滴落,，高電平表示有液滴滴落,。將LM567的8腳輸出端連接到STM32的I/O端口上，利用定時器的輸入捕獲功能可測量出兩個上升沿的時間間隔,，也就是兩個液滴之間的時間間隔,，從而計(jì)算出液滴滴落速度。

　　2.2輸液關(guān)斷

　　系統(tǒng)采用Φ15mm步進(jìn)電機(jī)和絲桿－螺母機(jī)構(gòu)作為輸液關(guān)斷裝置,。STM32微處理器通過L293D驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,，與步進(jìn)電機(jī)相連的齒輪組也隨之轉(zhuǎn)動。絲桿－螺母機(jī)構(gòu)固定在齒輪組最后一級的齒輪上,。固定螺母的橫向轉(zhuǎn)動,，螺母就會在絲桿轉(zhuǎn)動的情況下軸向移動。輸液關(guān)斷裝置正是利用螺母的軸向移動來擠壓輸液管,，達(dá)到控制輸液速度的目的,。

　　由于STM32的負(fù)載能力有限,，不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，所以有必要在STM32和步進(jìn)電機(jī)之間加上步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路,，增加單片機(jī)帶負(fù)載能力,。系統(tǒng)采用L293D作為驅(qū)動芯片，該芯片完全能滿足驅(qū)動需求,。

　　步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī),，由電脈沖信號即可轉(zhuǎn)變成角位移。由于選用的Φ15mm步進(jìn)電機(jī)為兩相四線步進(jìn)電機(jī),，故STM32須輸出四路脈沖信號控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動相位角,。四路脈沖信號要按照步進(jìn)電機(jī)的工作原理輸入，本系統(tǒng)采用四相四拍脈沖輸入,，輸入波形如圖3所示,。

　　2.3無線通信

　　系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)間的信息交換方式采用串行通信，通信的轉(zhuǎn)換方式采用RS232全雙工配置,。下位機(jī)STM32的異步串行接口與RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路之間通過通信接口芯片MAX3232轉(zhuǎn)換信號電平,，再經(jīng)過USRWIFI232芯片實(shí)現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，上位機(jī)安裝WiFi數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,，從而實(shí)現(xiàn)無線通信［3］,。上位機(jī)可收發(fā)多個下位機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化,。無線通信單元的外部電路連接如圖4所示,。

　　圖4無線通信單元的外部電路連接上位機(jī)主動查詢下位機(jī)的應(yīng)答信號，若一次收不到應(yīng)答,，則再發(fā)送一次查詢信號；若連續(xù)三次收不到應(yīng)答,，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，自動報(bào)警。如果系統(tǒng)給出應(yīng)答,，則雙方按照規(guī)定的通信協(xié)議進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài),。 該無線通信單元安全可靠、抗干擾能力強(qiáng),，室內(nèi)通信傳輸距離可達(dá)50~60 m,。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的軟件部分可分為上位機(jī)監(jiān)控管理軟件和嵌入式程序兩部分。其中,，嵌入式程序包括主程序,、滴速測量、速度控制,、按鍵設(shè)置,、OLED顯示,、無線通信、報(bào)警等程序單元,。本文只介紹上位機(jī)監(jiān)控管理軟件,、滴速測量子程序和無線通信子程序三個重點(diǎn)模塊。

　　3.1上位機(jī)監(jiān)控管理軟件

　　上位機(jī)監(jiān)控管理軟件用于幫助醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控患者的輸液情況,，通過設(shè)定和修改相關(guān)參數(shù)改變輸液進(jìn)程,。

　　上位機(jī)監(jiān)控管理軟件是在VS2013平臺下用C#語言編寫而成，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示,。B/S模式的前臺網(wǎng)頁服務(wù)程序由三部分組成：系統(tǒng)登錄界面程序,、系統(tǒng)監(jiān)測界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對登錄的用戶采取權(quán)限處

理,，權(quán)限不同登錄的界面不同,，進(jìn)而操作也不同。C/S模式下的Windows后臺服務(wù)程序,，通過Socket通信與WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，并且通過SQL語句把從服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步加工,，生成可視化內(nèi)容供醫(yī)護(hù)人員參考,，進(jìn)而做出相應(yīng)決策。

　　3.2滴速測量子程序

　　由前述可知,，液滴檢測電路將液滴滴落的情況轉(zhuǎn)換為高低電平信號,，低電平代表無液滴滴落，高電平代表捕獲到液滴滴落,，液滴不停地滴落形成PWM波形,。利用STM32的定時器可實(shí)現(xiàn)PWM的周期測量。簡單地說就是,，定時器檢測到上升沿時開始計(jì)數(shù),，當(dāng)檢測到下一次上升沿時，將當(dāng)前計(jì)數(shù)值存放到對應(yīng)通道的捕獲/比較寄存器中,，完成PWM的周期測量,。

　　定時器測定的周期為兩個液滴滴落的時間間隔，記為T,，選取計(jì)時精度為1 ms,。為了便于觀察，通常記錄滴速的單位為：滴/min,，因此計(jì)算滴速的公式為：V=60*1000/T,。由于液滴滴落情況易受環(huán)境影響，波動較大,，為提高滴速測量精度,，采用連續(xù)測量3個液滴取平均速度的方法,。實(shí)踐表明，此種測量方案完全能夠達(dá)到測量精度要求,。滴速測量子程序流程圖如圖6所示,。　

　　3.3無線通信子程序

　　硬件搭建完成后,，首先進(jìn)行初始化,。初始化的主要內(nèi)容是設(shè)置波特率和服務(wù)器IP地址，系統(tǒng)的波特率設(shè)置為57 600 b/s,，服務(wù)器IP地址為：1010100254,。初始化完成后，點(diǎn)擊建立TCP連接,，USRWIFI232芯片進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài),，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收。

　　當(dāng)USRWIFI232芯片接收到程序設(shè)置的相應(yīng)頻段的載波信號且接收到信號的地址信號與程序設(shè)置吻合時,，芯片配對成功,。設(shè)置芯片的工作模式為接收，上位機(jī)通過WiFi網(wǎng)絡(luò),，以設(shè)定的波特率把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32內(nèi),。隨后，STM32通過 RS232串口將反饋信號傳輸至芯片,，更改芯片工作模式為發(fā)送,，反饋信號再通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控管理軟件，系統(tǒng)完成一次循環(huán)［4］,。重新設(shè)置芯片的工作模式為接收,，重復(fù)以上過程，系統(tǒng)開始新的循環(huán),，接收新數(shù)據(jù),。無線通信子程序流程圖如圖7所示?！?/p>

　　本文深入地分析了基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)能夠精確地測量和調(diào)整滴速,。系統(tǒng)具有無線通信功能,，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多能、一機(jī)多用,，便于醫(yī)護(hù)人員集中管理,，大大減輕了醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度。測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)安全,、可靠,、精度高，具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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