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摘 要：智能输液系统由上位机（微机）、下位控制机、滴速测定和滴速控制系统、液体保温装置、意外报警装置构成。该装置主要通过单片机、光电传感器、ZigBee短距离无线通信等技术搭建而成，使用该装置进行输液，可大大减轻护理人员的工作负担，为患者的输液安全保驾护航。
关键词：智能输液；液位监测；滴速控制；ZigBee
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-00-03
0 引 言
随着人口剧增以及社会的发展，医院的医患比大大减小，医护工作者的工作量与日俱增。由于患者数量过多，导致部分患者输液时的安全无法得到保障，护士的工作效率有待提高。近年来，大医院已开始借助智慧医疗系统来提高工作效率，《以信息化为载体的智能输液监视器应用》一文的系统是将输液是否完成的信息传送至护士站，免去患者自己按铃的麻烦，但其仍未能解决滴速异常、输液处针位移动等问题。据此，我们通过实地调研、网络查阅文献、请教导师等，运用C51单片机、传感器、ZigBee短距离通信技术开发了新型智能输液系统，可以测定滴速、异常自动报警，大大提高医护人员的工作效率。
1 智能输液系统总体介绍
智能输液系统由上位机（微机）、下位控制机、滴速测定和滴速控制系统、液体保温装置、意外报警装置构成。
2 基于ZigBee技术的无线数据传输系统
2.1 ZigBee技术简介
ZigBee（IEEE802.15.4）技术是一种短距离无线通讯技术，在2.4 GHz波段工作。其巨大的网络容量允许其与254个节点联网，适用于工业监控、传感器网络、安全系统的无线传输工作等。此外，ZigBee技术功耗较低，限制了其较低的极限数据吞吐量。但该技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点，非常适合用作本项目的无线传输方式[1， 2]。
2.2 传输系统数据发送端的设计
本系统的无线数据传输模块由若干个液位传感器节点与一个网络协调器模块构成。各传感器节点采集数据后，每隔一段时间数据发送模块便通过ZigBee将数据发送到网络协调器，再由协调器将收集到的数据传输至监控室PC或其他监控设备上，更可以通过互联网将再次处理过的数据上传到任意联网的终端进行展示与存档[3，4]。传输系统总体设计如图1所示，无线收发模块流程设计如图2所示。
2.3 传输系统数据接收端的设计
数据接收端负责数据的接收、处理与展示工作，由监控室PC及附属软件组成，可实现对全部监控节点的可视化管理，包括节点是否入网、滴速显示、输液余量及其他异常情况显示和报警功能。软件可使用C 、Java开发，日后或可研发更多配套软件，使护士及其他管理人员能在手机、平板等移动平台上监控患者的输液情况[5，6]。
3 基于光电传感器的输液滴速测定及其驱动控制
该项目输液滴速实时监测系统以单片机为核心，再辅以光电传感器、运算放大器等相关功能电路的硬件结构。具有结构微型化、操作方便灵活等特点[7]。
3.1 红外光电检测技术判定液滴的有无
因输液需要在严格控制卫生的情况下进行，所有监测设备都不应接触药液，因此采用非接触式红外光电检测技术。在发射管和接收管之间留适当距离，当无液滴通过时，接收管受光导通，输出为零。当有液滴通过的瞬间，使光线折射，接收管的光通量不足，输出为1。为避免较大误差，我们在液滴管上套半透明的罩子，以减少太阳光、日光灯的干扰[7，8]。液滴光电检测原理图如图3所示。
3.2 通过软件计算药液滴速
可通过相邻两次液体滴落的时间差计算。文中采用 STC90型51单片机。由于临床滴速范围为20～180滴/min，即最大滴速为3滴/s，采用的精度为1 ms定时中断。当计数溢出时，进入定时中断进行处理。为避免液滴信号出现漏判、误判的情况，本软件嵌入两个中断子程序，一旦发现有液滴信号溢出，则进入外部中断，定时器溢出，则进入定时器中断，然后对液滴信号及时间参数进行处理，得到所求数据[9]。
3.3 信号处理
点滴速度信号的变化范围大致为每分钟20～180滴，属于低速信号检测。按照实际采样滴速时间，一旦采样时间偏长，采样时间内的滴速变化便难以检测，在对点滴速度进行改变或调整时会出现调整精度差、系统响应时间长等问题，该项目通过锁相环倍频技术[10]对其进行处理。锁相环倍频技术指通过锁相环集成电路和相位比较器引入反馈，随时监控信号的情况并对信号频率进行修正和放大。此举缩短了采样时间，提高了系统的采样速度。锁相环倍频技术如图4所示。
3.4 滴速传输和控制
滴速测量完成后单片机利用ZigBee将数据传送至控制中心进行分析判断，并在液晶电视上显示实时结果。
滴速控制需快速、稳定，我们通过以下两种方式调节滴速：
（1）利用下位机的步进电动机带动储液瓶上下移动从而调整滴速，偏快则下移，偏慢则上移。
（2）考虑到储液瓶液位到零刻度时应确保完全关闭输液器，以防止空气进入血管或回流，因而采用控制输液软管夹头松紧即软管夹头平行移动的方法來实现滴速的控制。在输液软管上安装一夹头，该夹头由微型步进电机的正、反转带动传动机构前进或后退，从而通过控制夹头松紧实现对滴速的调控[8，9，11]。
护士可以针对每位患者的情况在系统中设置滴速的上下限值。为保证滴速控制的快速和稳定，该系统采用模糊控制技术，当上位机检测到的输液实时速度与设定值存在偏差时，执行相应的控制算法，通过单片机控制步进电机调节输液软管的松紧来调节输液速度，当输液速度低于下限值时，电机反向转动以放松对输液软管的压力从而增加滴速；当输液的速度高于上限值时，电机正向转动以压紧输液软管从而降低滴速，使之保持在预设范围内。
关键词：智能输液；液位监测；滴速控制；ZigBee
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-00-03
0 引 言
随着人口剧增以及社会的发展，医院的医患比大大减小，医护工作者的工作量与日俱增。由于患者数量过多，导致部分患者输液时的安全无法得到保障，护士的工作效率有待提高。近年来，大医院已开始借助智慧医疗系统来提高工作效率，《以信息化为载体的智能输液监视器应用》一文的系统是将输液是否完成的信息传送至护士站，免去患者自己按铃的麻烦，但其仍未能解决滴速异常、输液处针位移动等问题。据此，我们通过实地调研、网络查阅文献、请教导师等，运用C51单片机、传感器、ZigBee短距离通信技术开发了新型智能输液系统，可以测定滴速、异常自动报警，大大提高医护人员的工作效率。
1 智能输液系统总体介绍
智能输液系统由上位机（微机）、下位控制机、滴速测定和滴速控制系统、液体保温装置、意外报警装置构成。
2 基于ZigBee技术的无线数据传输系统
2.1 ZigBee技术简介
ZigBee（IEEE802.15.4）技术是一种短距离无线通讯技术，在2.4 GHz波段工作。其巨大的网络容量允许其与254个节点联网，适用于工业监控、传感器网络、安全系统的无线传输工作等。此外，ZigBee技术功耗较低，限制了其较低的极限数据吞吐量。但该技术具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠、安全等特点，非常适合用作本项目的无线传输方式[1， 2]。
2.2 传输系统数据发送端的设计
本系统的无线数据传输模块由若干个液位传感器节点与一个网络协调器模块构成。各传感器节点采集数据后，每隔一段时间数据发送模块便通过ZigBee将数据发送到网络协调器，再由协调器将收集到的数据传输至监控室PC或其他监控设备上，更可以通过互联网将再次处理过的数据上传到任意联网的终端进行展示与存档[3，4]。传输系统总体设计如图1所示，无线收发模块流程设计如图2所示。
2.3 传输系统数据接收端的设计
数据接收端负责数据的接收、处理与展示工作，由监控室PC及附属软件组成，可实现对全部监控节点的可视化管理，包括节点是否入网、滴速显示、输液余量及其他异常情况显示和报警功能。软件可使用C 、Java开发，日后或可研发更多配套软件，使护士及其他管理人员能在手机、平板等移动平台上监控患者的输液情况[5，6]。
3 基于光电传感器的输液滴速测定及其驱动控制
该项目输液滴速实时监测系统以单片机为核心，再辅以光电传感器、运算放大器等相关功能电路的硬件结构。具有结构微型化、操作方便灵活等特点[7]。
3.1 红外光电检测技术判定液滴的有无
因输液需要在严格控制卫生的情况下进行，所有监测设备都不应接触药液，因此采用非接触式红外光电检测技术。在发射管和接收管之间留适当距离，当无液滴通过时，接收管受光导通，输出为零。当有液滴通过的瞬间，使光线折射，接收管的光通量不足，输出为1。为避免较大误差，我们在液滴管上套半透明的罩子，以减少太阳光、日光灯的干扰[7，8]。液滴光电检测原理图如图3所示。
3.2 通过软件计算药液滴速
可通过相邻两次液体滴落的时间差计算。文中采用 STC90型51单片机。由于临床滴速范围为20～180滴/min，即最大滴速为3滴/s，采用的精度为1 ms定时中断。当计数溢出时，进入定时中断进行处理。为避免液滴信号出现漏判、误判的情况，本软件嵌入两个中断子程序，一旦发现有液滴信号溢出，则进入外部中断，定时器溢出，则进入定时器中断，然后对液滴信号及时间参数进行处理，得到所求数据[9]。
3.3 信号处理
点滴速度信号的变化范围大致为每分钟20～180滴，属于低速信号检测。按照实际采样滴速时间，一旦采样时间偏长，采样时间内的滴速变化便难以检测，在对点滴速度进行改变或调整时会出现调整精度差、系统响应时间长等问题，该项目通过锁相环倍频技术[10]对其进行处理。锁相环倍频技术指通过锁相环集成电路和相位比较器引入反馈，随时监控信号的情况并对信号频率进行修正和放大。此举缩短了采样时间，提高了系统的采样速度。锁相环倍频技术如图4所示。
3.4 滴速传输和控制
滴速测量完成后单片机利用ZigBee将数据传送至控制中心进行分析判断，并在液晶电视上显示实时结果。
滴速控制需快速、稳定，我们通过以下两种方式调节滴速：
（1）利用下位机的步进电动机带动储液瓶上下移动从而调整滴速，偏快则下移，偏慢则上移。
（2）考虑到储液瓶液位到零刻度时应确保完全关闭输液器，以防止空气进入血管或回流，因而采用控制输液软管夹头松紧即软管夹头平行移动的方法來实现滴速的控制。在输液软管上安装一夹头，该夹头由微型步进电机的正、反转带动传动机构前进或后退，从而通过控制夹头松紧实现对滴速的调控[8，9，11]。
护士可以针对每位患者的情况在系统中设置滴速的上下限值。为保证滴速控制的快速和稳定，该系统采用模糊控制技术，当上位机检测到的输液实时速度与设定值存在偏差时，执行相应的控制算法，通过单片机控制步进电机调节输液软管的松紧来调节输液速度，当输液速度低于下限值时，电机反向转动以放松对输液软管的压力从而增加滴速；当输液的速度高于上限值时，电机正向转动以压紧输液软管从而降低滴速，使之保持在预设范围内。