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(cè)、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(duì)管檢測(cè)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(dòng)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(shí)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(huì)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(shí)，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(duì)管檢測(cè)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(dòng)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(shí)掌握多個(gè)病人的輸液進(jìn)程。若發(fā)生異常情況，蜂鳴器和LED燈會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時(shí)處理。該系統(tǒng)不但提高了患者輸液時(shí)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(dòng)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(cè)模塊、按鍵模塊、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、輸液關(guān)斷傳動(dòng)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(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制傳動(dòng)裝置擠壓關(guān)斷輸液管，此時(shí)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過齒輪組帶動(dòng)傳動(dòng)裝置的絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)裝置逐漸減緩對(duì)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(cè)模塊的紅外對(duì)管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液滴滴落情況，檢測(cè)電路將紅外對(duì)管監(jiān)測(cè)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(shí)速度并設(shè)定速度比較，當(dāng)實(shí)時(shí)速度等于設(shè)定速度時(shí)，微處理器控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)相連的傳動(dòng)裝置也停止運(yùn)動(dòng)，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(cè)輸液結(jié)束時(shí)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。患者通過OLED顯示模塊觀察輸液速度和預(yù)測(cè)輸液結(jié)束時(shí)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(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來增加或降低輸液速度。當(dāng)輸液剩余量低于設(shè)定值時(shí)，微處理器通過控制步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)、輸液關(guān)斷、無線通信三個(gè)核心單元。

　　2.1紅外液滴檢測(cè)

　　液滴信號(hào)的精確采集是計(jì)算滴速的前提，信號(hào)采集既要確保不會(huì)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(duì)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(duì)管供電正常工作時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(hào)與中心振蕩信號(hào)（圖中輸出信號(hào)）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(shí)，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(hào)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(hào)與中心振蕩信號(hào)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(shí)，音頻譯碼器LM567的8腳輸出端口形成一個(gè)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(shí)器的輸入捕獲功能可測(cè)量出兩個(gè)上升沿的時(shí)間間隔，也就是兩個(gè)液滴之間的時(shí)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)相連的齒輪組也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。絲桿－螺母機(jī)構(gòu)固定在齒輪組最后一級(jí)的齒輪上。固定螺母的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母就會(huì)在絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下軸向移動(dòng)。輸液關(guān)斷裝置正是利用螺母的軸向移動(dòng)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)芯片，該芯片完全能滿足驅(qū)動(dòng)需求。

　　步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，由電脈沖信號(hào)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(hào)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相位角。四路脈沖信號(hào)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(hào)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(gè)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(dòng)查詢下位機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，若一次收不到應(yīng)答，則再發(fā)送一次查詢信號(hào)；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(dòng)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(cè)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(cè)量子程序和無線通信子程序三個(gè)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(shí)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(tái)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(tái)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(cè)界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序。對(duì)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(tái)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(duì)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(cè)量子程序

　　由前述可知，液滴檢測(cè)電路將液滴滴落的情況轉(zhuǎn)換為高低電平信號(hào)，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(shí)器可實(shí)現(xiàn)PWM的周期測(cè)量。簡(jiǎn)單地說就是，定時(shí)器檢測(cè)到上升沿時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到下一次上升沿時(shí)，將當(dāng)前計(jì)數(shù)值存放到對(duì)應(yīng)通道的捕獲/比較寄存器中，完成PWM的周期測(cè)量。

　　定時(shí)器測(cè)定的周期為兩個(gè)液滴滴落的時(shí)間間隔，記為T，選取計(jì)時(shí)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(dòng)較大，為提高滴速測(cè)量精度，采用連續(xù)測(cè)量3個(gè)液滴取平均速度的方法。實(shí)踐表明，此種測(cè)量方案完全能夠達(dá)到測(cè)量精度要求。滴速測(cè)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(cè)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(hào)且接收到信號(hào)的地址信號(hào)與程序設(shè)置吻合時(shí)，芯片配對(duì)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(hào)傳輸至芯片，更改芯片工作模式為發(fā)送，反饋信號(hào)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(cè)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(cè)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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