多节点无线输液监护系统的设计与应用

李永乾，张永健

（河北工程大学 信息与电气工程学院，邯郸 056038）

目前国内输液监护系统并不完善，对医院输液患者的监护，多采用护士不间断巡视观察以及家属陪床。在医院日常诊疗过程中，有些情况下需要采用静脉输液治疗，而针对门诊医疗的自动化监护设备更是一个空缺。

在仪器仪表及测控系统中，无线通信因其节省传输线、安装使用方便等优点被广泛使用于中距离（500 m）的无线通信系统中[1]。在临床医疗中，各种信息可通过医用监护仪进行检测，本系统是基于无线通信技术的多节点无线输液监护系统，可同时覆盖多个病房进行在线实时监护，降低了医护人员的劳动强度，解决了家属输液陪床难的问题。产品样机在邯郸市中医院及河北工程大学附属医院进行了测试，系统稳定可靠。

1 系统工作原理

系统组成如图1所示。系统由下位机采集节点、通信基站、手持移动终端、PC机监护主站4部分组成。医护人员先将患者的信息录入PC机监护主站的监护软件数据库，再将具有唯一地址码的下位机采集节点悬挂于输液器茂菲氏管上，节点开机将处于采集与发送状态，新加入的节点通过载波侦听的方式监听空中是否有其它节点在与通信基站进行数交换的载波信号，若其它节点都处于空闲状态，则新节点将首次发送本机地址，此时，通信基站将接收到此节点传输的地址码，并自动判断是否有新节点申请加入地址列表，节点被识别成功后，通信基站继续接收数据，通信基站通过RS-232与PC机进行通信，PC机以其强大的数据处理能力负责对数据进行综合分析、处理，一旦某节点出现异常，PC机将语音播报异常信息类别（报警类别：滴速异常、液量异常、节点丢失），同时将异常信息反馈回通信基站，通信基站再将数据通过无线模块nRF905发送到护士手中的手持移动终端进行异常报警提示，显示相应床位信息。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of the system

为避免通信冲突，各下位机采集节点采用竞争机制访问主机，当某节点在与通信基站进行数据交换时，其余节点均处于载波侦听状态等待发送数据，从而可实现一点对多点无线分布式监护。

2 算法分析

系统主要功能是对滴速、液量进行精确检测。正常输液时，滴速下限为10滴/min，滴速上限为180滴/min，不同的药品对滴速的要求在上下限区间内有所不同，若超出提前设置的滴速门限值，则进行滴速异常报警。其次，通过对滴数、滴速和滴下液滴体积的关系，计算出剩余液量值，若剩余液量低于10 ml时，则进行液量异常报警提示。滴速、液量监测的准确与否至关重要。

2.1 滴速计算方法

实验中，首先采用的是采样2滴的时间间隔的方法来计算滴速，但实际调试发现滴速值容易跳变，此算法不可靠。接着实验了采样第1滴与第N滴的时间间隔进行计算，虽然此算法可得到相对稳定的滴速，但对应不同的滴速趋于稳定的时间不等，故此算法被舍弃。最后选择了一种最优算法，即液滴滴落触发计时器开始计时，3 s后第1个液滴落下停止计时，并记录这段时间内的滴数，根据这2个值可得到精确的滴速，并且这种算法趋于稳定的时间较短，不易受到滴速跳变的干扰。

2.2 液量计算方法

实验阶段，测试了在某一滴速下10 ml，20 ml，30 ml…70 ml对应的液滴数，计算出每滴的体积和滴下的总液量，但实际测试发现，只有滴速恒定不变时才会计算准确，对于其它滴速则存在一定的误差，故猜测每滴液体体积与滴速相关联。试验继续测试了不同滴速下 10 ml，20 ml，30 ml…70 ml对应的滴数，最后确定液滴体积与滴速确实存在线性关系，试验数据如表1所示。

表1 试验数据Tab.1 Experimental data

在对数据进行分析拟合后，得到了滴数、滴速和滴下液滴体积的关系式：

式中：Volume为滴下的体积；DTimes为滴数值；DSpeed为滴速值；-0.018461和18.644均为常数因子。

因此计算滴下液体体积变得相当容易，只需要记录液滴数代入公式即可，最后通过这个函数得到了滴下的液量。对于500 ml的液体根据得到的公式计算出的体积在实际测试过程中误差不超过0.1%，可以满足在实际使用时的精确要求。

3 系统设计方案

3.1 下位机采集节点设计

3.1.1 硬件设计

下位机采集节点通过传感器实现数据采集，并通过MSP430F149单片机和无线模块nRF905将数据发送至通信基站。下位机采集节点要求结构简单、安装方便，经过试验测试，选用光电开关作为滴数检测传感器。由于光电开关的静态工作电流在8 mA～10 mA，为了实现系统的低功耗设计，创新性的采用了脉冲调制发射的方法，即由单片机产生一个100 kHz的脉冲信号控制光电开关通断，使其处于间歇性工作模式，调制后的平均静态工作电流下降至1 mA～2 mA，节点在调制前的常开模式工作时间为45 min，调制后的间歇性工作模式可使节点工作时间提升至7 h左右。而且经过调制的光电对管发射距离更长，检测更加精准，屏蔽了漏滴现象。

3.1.2 软件设计

下位机采集节点通过光电开关传感器采集数据，每采集到一个液滴输出一个脉冲，MSP430F149单片机以外部中断方式记录脉冲个数，以及采用前面所述滴速算法计算出滴速值，通过SPI串口通信将滴速值写入到无线模块nRF905寄存器中等待发送[2]。为确保发送的数据准确性，发送后节点将再次接收到通信基站回传的数据进行校验，错误则重新发送。下位机采集节点程序流程图如图2所示。

传感器检测到一个液滴滴落时，产生一个脉冲信号，在实验过程中，出现了一滴双脉冲现象，经检测传感器电路脉冲信号输出端，发现此现象稳定且时间间隔相等，所以在软件设计中，采用定时器精确延时的方法进行软件滤波，反复测试，此方法行之有效。为保证时效性，采集数据过程需要在外部中断程序中执行。

图 2 下位机采集节点程序流程图Fig.2 Flow chart of slave controlling node

3.2 通信基站的设计

3.2.1 硬件设计

通信基站选择MSP430F149单片机作为主控芯片，在整个系统中，它的作用相当于中继站，接收各下位机采集节点发送来的监护数据，并通过RS-232传输到PC机系统软件数据库。通信基站还配有按键输入模块、LCD数显模块、报警装置及电源模块。通过按键输入，医护人员可选择对下位机采集节点进行轮询监护或单独监护，并且可以在通信基站上设置滴速上下限，一旦某节点滴速出现异常现象，通信基站、PC机、手持移动终端将同时语音报警提示。通信基站实现了与各下位机采集节点、手持移动终端、PC机监护主站进行数据交换的功能。

3.2.2 软件设计

通信基站主要负责接收、传输数据，并显示各节点的信息，显示方式可选择轮询或单独监护。通信基站程序流程图如图3所示。

3.3 手持移动终端设计

图3 通信基站程序流程图Fig.3 Flow chart of communication base station

手持移动终端的设计降低了医护人员的巡检频率，减轻工作强度。手持移动终端可实现数据接收、液晶显示、异常报警的功能。通过无线模块nRF905可接收下位机采集节点及通信基站发送来的数据，终端接收到数据后进行存储，并采用对地址列表逐个轮询的方式显示节点信息，若某个采集节点出现异常，手持移动终端将接收到通信基站反馈的异常信息类别，由于报警信息的优先级高于其它信息优先级，所以轮询中断进行报警，通过液晶显示屏显示异常节点信息。手持移动终端可兼做通信基站的备份机或分机，在不同地点的医护人员可以随时获知患者输液情况。手持移动终端的工作原理与本章3.2小节中通信基站的工作原理相同，此处不再做详细阐述。

3.4 PC机监护系统软件的设计

PC机监护系统软件由C#编写完成，监护系统软件通过人机交互界面，为监护主站的医护人员直观地显示出所有正在使用的节点信息。其次，软件还具有强大的后台数据库支持，可以对病人信息进行添加、修改、查询、删除操作[3]。由于PC机对数据的高效处理能力，承担了对通信基站传输过来的所有数据进行分析和处理的任务，并将处理结果反馈回通信基站和手持移动终端使用。监护系统软件的设计还包括对滴速和体积的设置，若超出设置门限值，PC机将进行语音报警提示并通过RS-232回传给通信基站。

由于需要PC机与通信主机之间建立通信并实时处理数据，用到C#的IO命名空间下的封装类，PC机根据收到的数据处理各种事件，数据查询使用SQL数据库对其进行操作，运用Windows窗体设计，这就要有：（1）无线智能输液监护系统窗体；（2）XXX号点滴速度设置窗体；（3）数据记录查询窗体；（4）关于本软件介绍窗体。

4 通信协议的构建原则

4.1 通信协议

本系统采用的是远程无线分布式控制，实现了一点对多点的通信功能，以往的一对多通信协议中采用主机对每个节点逐一轮询方式来与节点交换信息，节点向主机发送数据存在时间窗口，采用时间分片发送数据的协议有一定的缺陷，当节点数很多时，主机访问所有节点的时间会很长，对系统的时效性影响很大。

考虑到下位机采集节点发送数据时功耗是平时待机状态的10倍左右，所以减少协议开销成为主要问题，编写精简、高效的通信协议成为软件设计的关键。

4.2 通信协议编写原则

系统中通信协议的编写遵循以下几点：

（1）各节点地址和通信基站地址预先在程序中设定且不得更改，若有新节点要求加入时，该节点将主动与通信基站联系，在节点获取访问权限后自动加入通信基站的地址列表，若节点要求退出通信网络时，医护人员需要在PC机监护系统软件中申请注销。

（2）为避免通信冲突，各下位机节点采用竞争机制访问主机。

（3）通信基站忙时，下位机采集节点等待随机时间重新发送，为保证数据的正确发送，通信基站将接收到的信息重新发送回对应节点，确认信息正确接收。

（4）为解决通信协议的开销问题，各节点只有在滴速和滴下液体体积突变时才发送数据，如果采集的滴速在一定时间内不变，则节点发送功能将间歇性处于待机状态，处于待机状态的节点不进行任何通信。

（5）若节点超出程序中设定的时间上限没有与基站通信，通信基站将主动联系此节点，确认数据是否正确发送，否则将认为该节点出现异常并进行报警提示。

（6）程序设计中，报警信息的优先级高于其它信息的优先级。

5 结语

经过反复试验，完成了多节点无线输液监护系统的设计，实现了对多个病床进行在线实时监护。系统具有滴速监测、异常报警、按键控制与信息显示等功能。通过实验，将获取到的数据进行记录、分析，得到了更加精确的滴速、液量计算方法。通信协议的合理构建，实现了一点对多点的数据交换。系统具有操作简单、成本低等特点，根据需求可以增加节点数量，实现多节点监护功能。

[1] 李欣，王耀宾，杨华.基于nRF401的无线通讯系统及应用[J].科技信息，2007（36）：334-335.

[2] 王冬毅.基于FPGA的智能挖掘机无线监控系统研究与实现[D].成都：西南交通大学，2012.

[3] 周楠.高血压辅助诊疗系统的设计与实现[D].天津：南开大学，2012. ■