基于物联网技术的智能输液室监控系统的研究

许晓荣田，田张文超

（南（京杭航州空电航子天科大技学大 学生，物电医子学信工息程学系院，，江浙苏江省 杭南州京 市31 02011080）16）

引言

目前很多输液病房仍采用传统的人工监护方法，输液速度由护士或陪护人员对点滴流速进行目测计数，并通过手工转动流量调节器来调节，在输液过程中，陪护人员必须时刻观察储液状态（剩余药液状态）和输液情况（流量快慢和是否有断流等）。当药液输完，及时通知值班护士换瓶或拔针[1]。显然，肉眼观察输液速度，通常不准确也不方便，而且护士及陪护人员得时刻观察输液的状态。

开发一种智能的病房监控系统，让传统的人工监控方式走向自动化，智能化，让护理人员监控病人输液的时间得到充分利用，提高工作效率，提供安全的输液服务，是医院和患者的一大需求。

物联网技术是实现智能化的一个保障，整个楼宇、每层、每个病房的每个病人输液数据的实时监测、存储、处理、显示及提醒等功能，方便医生和护士的操作和管理[2]。根据病人的不同需求来实时调整输液监控设备，构建完整的输液监控系统。

1 系统总体概述

智能输液病房的整体实现框架是通过测试病房内的温湿度，烟雾火花和点滴速度及药液剩余量等数据，通过Zigbee发送模块发给Zigbee协调器节点，Zigbee协调器节点将采集的数据整合后发给监控室的Zigbee接收模块，然后接收模块将收到的数据通过USB传给服务器，服务器根据收到的数据进行处理，并存入数据库。手持终端或客户端通过Internet连接远程登录，对病房内的情况进行实时监控，从而可以全方位实现对病房的情况进行远程实时监控。智能输液室监控系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统硬件主要设计了基于Zigbee的温湿度模块，烟雾及火花报警模块和点滴测速模块。

图1智能输液室监控系统结构图

2.1 Zigbee模块

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗、可自组网的无线通信技术。由于其网络可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性[3]。

本系统的Zigbee模块基于TI公司的CC2530芯片，CC2530有一个无线定位跟踪引擎，具有良好的定位性能，可以用来防止设备的丢失，运行Zigbee2006协议[4]。与嵌入式控制终端连接的Zigbee模块作为协调器（Coordinator），与其他各个子模块连接作为路由器（Router），组成无线传感网。Zigbee无线传感网络实物图如图2所示。

图2Zigbee无线传感网络实物图

2.2 温湿度检测模块

温湿度是环境参数中比较重要的数据，一方面在一定程度上反映了环境的状况，另一方面可作为可燃气体传感器和火焰传感器的补充验证。本文选择电容式集成数字温湿度传感器AM2301，它有着集成温湿度传感器的典型特征[5]。AM2301内部的传感器和集成电路融为一体，极大地提高了传感器的性能，并且采用了专用的数字模块技术，与传统的温湿度传感器相比，具有测量精度高、复现性好、线性优良、体积小、稳定性好、输出信号大等优点。AM2301应用电路如图3所示。

图3AM2301应用电路

2.3 火光检测模块

火光传感器模块的信号采集由红外接收头完成，可探测到火源或者热源（波长在700nm～100nm之内）[6]，将外界红外光的强弱变化转化为电流变化，串联负载电阻后可在两端形成一定电压。经过比较器LM393的处理，可以产生数字信号，接到单片机的外部中断引脚。LM393火光检测电路如图4所示，D9为电源指示灯，D8为红外接收头，D7为触发指示器。传感器随着外部敏感信号的强弱变化阻抗会跟随变化，所以LM393管脚2处的电压也同样跟着变化，然后跟中间电压3作比较后产生数字信号从管脚1输出，P6是模块的接口。

图4LM393火光检测电路

2.4 烟雾检测模块

选用Motorola公司的MC145012作为系统的烟雾探测模块。MC145012是一款带I/O和瞬时图形扬声器驱动的光电烟雾探测IC，它包含复杂的低功率模拟电路和数字电路[7]。此IC用一个红外光电盒。用感测来自微小烟雾粒子或其他烟雾的散射光实现探测。当探测到烟雾时，脉动报警经片上推挽驱动器和外部压电蜂鸣器发声。

2.5 点滴滴速及药液高度测量模块

系统现场点滴速度及液位高度检测采用光电检测技术实现。红外发光二极管与光电三极管分别作为发射管与接收管放置于点滴瓶与滴斗两侧，射管发出红外光，光线透过输液管照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转换成电流输出。当输液管没有液滴通过时，光线衰减小，光电三极管输出比较强的光电流。当输液管有液滴通过时，由于液滴对光线吸收和散射作用，照射到光电三极管的光信号比较弱，它输出比较弱的光电流[8]。因此，通过检测光电三极管的输出电流，转换为电压脉冲信号，即可探测出滴斗是否有液滴通过。通过计算连续5个液滴之间的平均间隔时间，换算成点滴速度。

点滴瓶的液位检测原理相同，当药液降低到警戒线以下时，红外光由被遮挡变为完全照射到接收管，产生电压跳变，通过现场单片机控制器产生报警信号驱动现场声光报警装置启动。

3 系统软件设计

3.1 数据库的实现

系统采用MySql数据库作为服务器数据存储容器，并建立数据库和数据存储所需要的表，连接到数据库的服务器，实现对数据的存储，通过与服务器的配合，实现数据的增加、删除和修改等功能。数据库主要存储输液和病房的信息，输液的信息主要存储病人的点滴滴速、药液剩余量和输液完成的提醒，病房的信息主要存储温湿度、烟雾、火花等环境数据。数据库与服务器连接的部分代码如下：

3.2 无线传感网软件设计

无线传感网的软件设计主要就是对Zigbee和主控芯片进行程序设计。首先要对使用到的各项外设进行初始化，然后各分节点分别将各自的各项环境参数或状态信息通过Zigbee发送到协调节点[9]，最后根据接收到的来自控制终端的信息做出相应的动作。各分节点作为Zigbee协议中的路由节点（Router），具有相同的地位，且相互之间无需通信，同时为了降低功耗，对于传感器的响应多采用中断触发的方式。

3.3 服务器端软件设计

服务器端的软件设计中，采用Java设计上位机，负责通过USB口同Zigbee接收模块进行通信[10]，将数据写入数据库，数据库采用Mysql，存放来自于无线传感网的环境参数和状态信息以及用户的验证信息等，并且可以进行输液数据的统计。采用可以跨平台的服务器技术创建一个动态网页，服务器与数据库的结合相当好，有利于整个系统的稳定和高效。服务器软件设计流程图如图5所示。

图5服务器软件设计流程图

3.4 上位机监控系统设计

智能输液病房的上位机设计主要采用B/C网络架构进行设计，可实现通过Intnet远程登录监控的功能。该系统通过Java语言和MySql数据库的结合，利用Tomcat服务器的支撑，通过浏览器远程登录实时管理。主要设计了用户登录模块、输液监控模块、区域管理模块、用户管理模块、环境参数模块和报警模块。

（1）用户登录模块主要是验证用户的合法性并通过校验码防止网络受攻击。

（2）输液监控模块主要实现对吊瓶的点滴速度和药液剩余量等数据的进行实时显示和输液完成提醒等功能。

（3）区域管理主要对医院楼层，病房，吊瓶进行修改、增加和删除等功能。

（4）用户管理模块主要对工作人员和病人进行管理。

（5）环境参数模块主要对病房的温湿度、烟雾和火光等参数进行显示和报警。

（6）报警模块主要是当系统出现故障时，能及时将故障信息给系统维护人员，使故障能在最短时间内等到解决。

监控系统监控视图如图6所示。

图6监控系统监控视图

4 结论

本文设计的智能输液室监控系统操作界面友好，能实现远程登录和查询等实时监测功能。该系统包括检测系统，人机交互系统，无线网络系统，数据库管理系统，充分体现模块化系统集成的设计思想。满足自动识别、自动检测、自动报警的功能要求，同时考虑系统自身精确性和稳定性，建设一个高度统一，高度信息化，自动化的智能输液室监控系统。

[1] 杨艳, 胡伟全, 程荣龙. 基于Zigbee技术的无线智能输液监护系统. 成都大学学报, 2012, 31(2): 193-175.

[2] 余学飞, 贺建卫, 李拮. 基于Zigbee技术的输液监测系统设计. 暨南大学学报, 2013, (1): 51-55.

[3] 瞿犇. 基于无线网络的智能输液控制系统的研制. 南京航空航天学. 2007, (3):71-94.

[4] 王陈海, 吴太虎. 短距离无线通信技术发展及在医疗监护中的应用. 医疗卫生装备. 2008, (8): 34-37.

[5] 温略钦, 李艳. 基于CC2510的输液监控无线终端的研究与设计.自动化与信息工程. 2007, (4): 92-96.

[6] 张雪敏, 沈晓. 移动输液管理系统在门诊输液管理中的应用. 中国实用护理杂志. 2012, (21): 51-53.

[7] 黄政武. 基于Zigbee技术的输液监控系统. 桂林理工大学学报.2012, (9): 8-42.

[8] 陈靖, 吴景东. 基于Zigbee协议的的无线传感器网络技术的分析与应用. 工业控制计算机. 2010, (18): 96-101.

[9] 尹娟. 基于Zigbee协议医院病房呼叫系统. 中国医疗设备. 2010,(19): 112-117.

[10] 王茂金. 基于Zigbee的嵌入式医疗输液监控系统的研究. 南昌：南昌大学, 2011.