CC2530远程智能输液监控系统的设计与实现

陈 明，沈俊慧，朱其祥

（福建船政交通职业学院信息工程系，福建 福州 350001)

随着科学技术的迅速发展，大家对智能产品的要求也越来越高，智能医疗输液监控技术应用也会越来越广泛。但目前而言，大部分还处于手动的、普通的塑料产品，这远不能满足需求，因此这是一个有较大医用前景的技术。展望未来，医疗输液监控系统将有很大的发展空间，它将朝着更加方便更加智能的方向发展，以满足日益发展的社会需求。就国内市场需求而言，人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对医疗电器产品提出更高的要求。所以医疗输液监控系统的设计显得尤为重要。

通过研究医疗输液监控过程，设计了一种可远程监测和控制输液过程，远程实时采集人体体征信息的智能输液监控系统，实现病床管理的智能化、信息化和数字化，降低患者及患者家属的精神负担和忧虑，减轻护理人员的劳动强度，提高医疗单位管理质量。

1 远程智能输液监控系统结构

远程智能输液监控系统结构如图1所示。本系统主要由输液监测器、多路输液控制器、ZigBee无线网络节点、主控端和移动终端等构成。主要功能是监测多路输液器并能实现异常自动报警、自动续瓶，远程采集人体体征，并通过无线网络实现远程移动式终端(手机、平板电脑)实时监控、监测和报警。护士站或家庭护理人员不必长期监护，随身携带手机或平板可以自由到附近从事其他活动，既降低护理人员的劳动强度和精神负担，又提高了工作效率。

图1 远程智能输液监控系统示意图Figure 1 Schematic diagram of the remote intelligent infusionmonitor system

2 系统的硬件模块设计

系统的硬件模块主要包括输液监测器、多路输液控制器、ZigBee无线网络节点、主控端和移动终端等。其中输液监测器、多路输液控制器和ZigBee无线网络节点的核心是采用CC2530单片机系统，主控端和移动终端分别是基于现有的PC机和移动终端设备 （手机、ipad等）的应用。

2.1 CC2530模块电路设计

控制电路和ZigBee无线网络节点均是以CC2530单片机为核心组成的控制电路。图2是CC2530模块电路原理图，它包括CC2530单片机模块、复位模块、天线模块、晶振模块以及一些外围低通滤波的电阻、电容和电感等。U4是CC2530芯片,为整个电路的核心单片机；SMA是2.4G天线座，其外围的电容电感匹配很重要；Y1是32MHZ晶振，它让CC2530正常工作，并产生稳定的时钟频率；Y2是32.768KHZ晶振，最主要使用在Sleep Timer和Watchdog Timer上，是为了减少芯片的功耗，在芯片睡眠时关闭内部某些电路，并以极低的频率工作。J4是复位电路，主要是用来复位CC2530用的。L1是磁珠，专用于抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力。

图2 CC2530模块电路原理图Figure 2 Circuit schematic of CC2530module

2.2 输液监测器设计

2.2.1 输液监测器工作原理及结构

输液监测器的工作原理如图3所示，由CC2530单片机控制电路和滴液监测电路组成。输液监测器采用编码后脉冲驱动激发电路，将检测到的脉冲整形放大，解码后再与原编码比较，以判断滴液情况。此方法一方面，大幅减少激发电路通电时间，大大降低功耗；另一方面，通过解码电路分析检测到的脉冲序列，而不是仅仅检测脉冲的形状，来判断滴液情况，大大提高可靠性。输液监测器还具有zigbee无线发送功能，所有控制及zigbee协议均是基于CC2530单片机系统完成。输液监测器实物如图4所示。

图3 输液监测器原理框图Figure 3 Schematic diagram of infusion monitor

图4 输液监测器实物图Figure 4 Physical diagram of infusion monitor

2.2.2 滴液监测电路设计

滴液监测电路由红外对管信号采集电路和信号处理电路组成，如图5所示。其中LED1是红外发射管，LED2是光敏接收管，与限流电阻R1、分压电阻R2构成红外对管信号采集电路。信号处理电路主要由比较器LM358完成，其中S1为可调电阻器，用来调节基准电压；R4和LL3构成指示灯电路。

在无滴液落下时，发射管发射的红外光直接被接收管接收，使得接收管的阻值变小，因此OUT电压也就变小,此时LM358的2脚输入电压很小，当LM358的2脚输入电压比LM358的3脚电压低时，LM358的1脚将输出高电平，此时指示熄灭；在有滴液落下时，发射的红外光被阻挡，使得接收管的阻值变大，因此OUT电压也就变大,此时LM358的2脚输入电压比较大，当LM358的2脚输入电压比LM358的3脚电压高时，LM358的1脚将输出低电平，此时指示灯亮。

图5 滴液监测电路原理图Figure 5 Schematic diagram of drip monitoring circuit

2.3 多路输液控制器设计

多路输液控制器原理：采用永磁式步进电机，通过控制脉冲个数来控制角位移量，带动如图6截流装置结构，使其开合达到精确位置，从而实现对输液管的夹断控制，再通过输液检测器的实时检测，反馈点滴数据到主控端，主控端经计算得到当前流量，从而控制多路输液器进行流量校正，达到流量控制的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而实现对输液管开关的调速目的。

图6 滴液截流装置结构图Figure 6 Structure diagram of drip interception device

结构安装：顶部套个螺母，步进电机旋转端子至下而上连接入螺母，并把步进电机固定于外壳装置，通过控制步进电机旋转带动顶部上下移动从而夹紧实现截流。

3 系统的软件设计

3.1 输液监测器软件设计

输液监测流程主要是检测水滴的脉冲，存储水滴数量，累计触发次数，检测中间协调器，串口初始化，串口发送数据等。程序流程如7所示。

图7 输液监测器程序流程图Figure 7 Procedure flow chart of infusion monitor

3.2 多路输液控制器软件设计

多路输液控制器软件主要流程是根据不同的信息控制步进电机通断，利用电机的正反转特性来带动截流夹的活动杆控制输液的通断和流速。截流器的开合可通过按键手动控制，也可通过接收远程无线数据指令控制，流程如8图所示。

图8 多路输液控制器程序流程图Figure 8 Procedure flow chart of multi-channel infusion controller

3.3 ZigBee无线网络组网流程

组建一个完整的ZigBee网络包括两个步骤：第一步是协调器创建一个网络；第二步是路由器或终端节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤：通过协调器接入网络和通过已有父节点入网。

ZigBee网络的建立是由协调器发起的，任何一个ZigBee节点要组建一个网络必须要满足以下两点：1.节点是FFD节点，具备ZigBee协调器能力；2.节点还没有与其它网络连接，当节点已经与其它网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个Zig-Bee网络中有且只有一个网络协调器。

网络建立流程步骤：

1.确定网络协调器。首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其它网络里或者网络里是否已经存在协调器。

2.进行信道扫描。

3.设置网络ID。找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符（PAN ID），此ID在所使用的信道中是唯一的。协调器短地址通常设置为0x0000。

协调器启动后，其它普通节点加入这个网络时，只需将本身的信道设置成与协调器信道相同，并进行信息认证，即可请求加入这个网络。

终端节点通过协调器加入网络：

1.查找网络协调器；

2.节点向协调器发送请求关联指令。协调器如果收到节点向其发的请求后会回复ACK确认帧，最后向MAC层收到连接原语是，则协调器会同意是否这个关联请求；

3.等待协调器处理；

4.数据请求发送命令；

5.节点回复。

3.4 上位机软件设计

上位机软件即主控端和移动终端的监控软件。主控系统一般架设在医院的护士站等地方，主要由服务器机组和平台软件组成，当主控系统接收到监控数据后，终端监测软件会对数据进行各种分析、保存和管理。

图9 软件主界面Figure 9 Software main interface

图10 软件详细界面Figure 10 Software detailed interface

图11 系统软件实时应用界面截图Figure 11 Screen shot of real-time application interface of system software

上位机软件主界面和详细页面如图9和图10所示,实时应用界面如图11所示。主要功能设计如下：保留传统护士站服务病人的宗旨，可实时接收到来自病床的呼叫；点滴监控：可对输液剂量、输液管大小进行设置；可以监控输液药瓶中剩余量的百分比；可以监控输液的滴速，并可根据病人情况进行滴速的调整；可以预估输液剩余时间和完成时间；如有异常，可收到输液的异常报警。夹断控制：当收到输液完成的提示后，通过监测软件中的夹断设置功能，可以停止输液以及根据设定要求控制自动续瓶单元实现换瓶。可以实时接收病人血压脉搏等多种身体特征参数。数据实时记录，最终通过无线传输到终端或者工作站实现远程监控。可以保存和实时更新病人的资料及药品资料。

4 总结

针对医院护士站管理下的病区病床和需要护理人员监护的患者家庭设计了一种监护系统。主要实现输液监控、自动换瓶、血压监测、脉搏监测等，并通过无线网络实现远程移动式终端(手机、平板电脑)实时监控、监测和报警。护士站或家庭护理人员不必长期值守，随身携带手机或平板即可远程监护。系统在实际使用过程中，既降低护理人员的劳动强度和精神负担，又提高了工作效率。