基于无线传感器网络的输液监控系统设计

皮家甜 张宇生 李萌萌

（重庆大学，重庆 400044）

基于无线传感器网络的输液监控系统设计

皮家甜 张宇生 李萌萌

（重庆大学，重庆 400044）

针对目前静脉输液过程中存在着滴速异常、输液完毕无提示等问题，设计基于无线传感器网络的输液监控系统，通过光电式传感器监测输液的速度及输液过程。采用由基于Zigbee无线通信技术的传感器节点组成的无线传感器网络对各输液点进行实时监控，并将采集的信息反馈给上位机，医务人员可以在上位机上通过可视化软件平台对各输液点进行监控，提高输液的安全性。

光电传感器；Zigbee；无线传感器网络；输液监控

静脉输液是临床中普遍使用的治疗手段，长期以来一直靠人工操作。在传统输液中，易发生一些异常情况，如管路堵塞、滴速异常及输液完毕无提示等。如果这些异常情况不能及时被发现，就会给病人造成伤害，严重的还会造成医疗事故。现有的自动监控系统中一般采用有线技术来组建网络，这类方法的扩展性能差、布线繁琐和移动性能差，同时由于采用的是电线的连接，线路容易老化或遭到腐蚀，故障发生率高。采用无线传输方式的传感器网络监控系统可以有效地避免上述问题，网络的基础设施不用再隐藏在墙里，能够适应移动和变化的需要。因此传统的监控系统已不再适用，需设计一款无线监控的输液系统。

本文在总结国内外研究成果的基础上，结合医院的实际需求，采取光电传感器和CC2530无线传感器网络开发套件，提出了输液监控设计方案。该套件能够支持IEEE 802.15.4以及 Zigbee、ZigbeePRO和ZigbeeRF4CE标准，其优秀的链路质量、接收灵敏度和强劲的抗干扰能力，完全能够满足基于上述标准上进行Zigbee无线网络的开发、设计和应用。套件具有在线仿真、下载和调试的特点。整个系统包括滴液速度检测模块、数据处理和无线发送模块、无线接收模块和控制中心可视化界面与报警模块。通过对硬件电路的设计和软件编程设计，实现了滴速的自动测量和数据的无线传输，当输液即将结束或滴液速度出现异常时发出报警信号，可以高效、安全、全面地检测输液情况。

1 系统总体结构框架

系统由无线传感器节点、无线通信系统、监控中心、报警装置等组成。通过无线传输模块将各个监控子节点组成了一个分布式网络，系统的结构框图见图1。整体思路是先由无线传感器采集药滴速度信息，然后将收集的信息以无线的形式传入监控中心PC机进行信息的处理与分析，最后做出相应的处理。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 滴液速度检测模块

液滴检测采用光电式液滴传感器（见图2）。其优点是可以非接触地探测液滴,能很好的满足临床无菌操作的要求。发光二极管发射的光束将经过茂菲氏管的液滴滴落线投射到光敏三极管的感光面,在没有液滴滴落时,光敏三极管接收到的光照度最大,产生的光生电流也最大；当有液滴滴落时,由于液滴的光学特性，使光束发散,投射到光敏三极管上的光照度将下降,从而使光敏管产生的电流下降。由于不同类型的药液(透明、半透明和不透明)液滴的光学特性不同，形成的脉冲幅度不同,只要检测光电三极管的输出电流脉冲，就可探测出有无液滴通过。

图2 滴液检测装置示意图

2.2 路由节点的设计

将光电传感器采集的脉冲信号接入CC2530的I/O口进行中断计数，这就要求路由节点长时间运行。为了有效地降低功耗，路由子节点的硬件系统结构应简单（见图3）。CC2530是主要的能量消耗者，其余部分电路消耗的能量可忽略不计，同时CC2530正常工作时的功耗也很低，所以整个系统具有极低的功耗，可以满足长时间的运行需要。

图3 路由器节点示意图

2.3 协调器节点的设计

协调器节点与路由节点硬件结构相似，见图4。不同之处在于协调器主要完成通过串口将接收到的数据传给上位机和建立网络的功能，这需要长时间的不间断运行，所以协调器节点的功耗较大，最好能够工作在有外接电源或容量较大的电池供电的条件下。

图4 协调器节点示意图

2.4 控制中心模块

该模块是无线传感器网络输液监控中心的人机交互中心，医务人员可以通过该模块获取监控信息。从上一模块得到的数据经过相应处理，以液滴滴速的形式显示出来，当液滴滴速过大、过小或者输液即将完成时，控制中心模块将发出报警信号。系统监控中心工作流程如图5所示。

图5 系统监控中心工作流程框图

3 系统软件设计

3.1 Zigbee节点软件设计

Zigbee节点软件是可运行于协调器节点和路由器节点上的嵌入式软件，可划分为应用软件和Zigbee协议软件。连接上位机的协调器节点上电后首先要进行Zigbee协议的初始化工作，然后再进行信道扫描及空闲信道评估，选择合适的信道和网络标识符，等待路由器节点的连接请求，并经确认是合法设备后，发出允许连接的命令，实现组网。最后每隔一定时间将接收到的数据传送给上位机。协调器节点程序流程图如图6所示。

路由器节点上电后首先初始化Zigbee协议栈，然后开始进行信道扫描，寻找Zigbee协调器节点，并向其发送连接请求，连接建立后获得标识号，加入网络，当有中断时进行计数，将中断计数的数值和自己的网络标识号以字符串的形式发送给协调器节点，由协调器将该信息再传送给上位机进行处理。

3.2 上位机软件设计

图6 协调器节点程序

图7 上位机程序

上位机管理中心负责对全部的节点进行可视化的管理，包括对网络节点的实时监控、数据处理、滴速异常报警、输液完毕报警和系统参数设置等功能。软件使用VB进行开发，软件主要流程如图7所示。

4 系统实现与调试

在控制中心上位机上打开可视化的窗口程序，可以形象地显示出床位、输液瓶内液体的液位、即时速度、输液总量、已输液量和剩余输液量等信息。将警戒滴液速度设为80滴/min，任意一个节点的速度发生异常，上位机立即报警，医务人员可立即进行处理。

5 结论

本设计利用无线传感器网络技术将采集到的数据信息传输到护士站或监控中心，实现对医疗输液过程的实时监控和异常情况报警，满足了临床输液监控的需要，降低了医务人员工作强度，提高了监护质量。

[1]刁惠民，詹宪凤，季兵.静脉输液监控系统的研制[J].解放军护理杂志，2009（2A）：73-74.

[2]秦霆镐，豆晓强，黄文彬，等.Zigbee技术在无线传感器网络中的应用[J].仪表技术，2007（1）：57-59.

[3]钟震宇，钟俊，钟泽宇.基于Zigbee的医疗输液无线监控系统的设计[J].测试技术学报，2007，21(5)：455-459.

[4]刘贺，余成波，杨数强，等.自动输液监护系统设计[J].中国测试，2009，35(4)：80-82.

Infusion Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks

PI Jia-tian ZHANG Yu-sheng LI Meng-meng
(Chongqing University,Chongqing 400044)

For the problems existing in intravenous infusion,an infusion monitoring system is developed based on the wireless sensor networks.The system can monitor the infusion speed and the progressing of infusion by the photoelectric sensor.The wireless communication technology can transmit the information of infusion to the host computer by Zigbee protocol,so the medical personnel can monitor the infusion in the host computer with the help of visualization software.This can ensure the safety of the patients in the process of infusion.

photoelectric sensor；Zigbee；wireless sensor networks；infusion monitoring

TP311

A

1673-1980（2011）06-0167-03

2011-07-02

国家863计划项目（2008AA01Z202）；重庆市高等学校教学改革研究项目（09-2-008）；国家大学生创新性实验计划项目（091061103）

皮家甜（1990-），男，湖北潜江人，重庆大学通信工程学院在读硕士研究生，研究方向为无线传感器网络与互联网技术。