基于模糊PID的静脉输液监控系统

宋平，张浩鹏，范梅花

基于模糊PID的静脉输液监控系统

宋平1，张浩鹏1，范梅花2

（齐齐哈尔大学 1. 计算机与控制工程学院，2. 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

为了有效地解决静脉输液过程中滴速难掌控、输液完毕无提示、手动更换储液瓶、患者舒适度差等问题，结合红外光电技术、嵌入式底层驱动技术、Android技术和模糊PID技术设计了一款监控系统．该系统采用红外光电传感器对输液过程进行实时监测，传感器底层驱动采集滴速、药液有无等信息．系统APK通过NDK获取传感器底层驱动的信息，且发送控制指令到执行器底层驱动以控制执行器更换储液瓶和滴速调整．实验结果表明，该系统能够准确地监测滴速且发出报警信号，提高安全性和患者舒适度．

光电检测；嵌入式系统；监控系统；静脉输液

目前，静脉输液已经成为我国临床医学中经常使用的治疗手段．在输液过程中，患者通常需要输液若干瓶，且不同药品对滴速的要求各不相同．大多数医疗机构仍然采用人工更换输液瓶且手动调节滴速的方法，这需要长时间地监测剩余药量，加重了医护人员的负担，同时易造成滴速设置不准确的情况．同时，长时间的输液导致患者舒适度很差．当输液完毕时，需要医护人员及时地拔针，否则会出现空气进入血管形成空气栓塞、凝血堵塞针头等情况，轻则延误治疗，重则危及病人生命安全，导致医疗事故．

为了减轻医护人员的负担，提高静脉输液的安全性和患者舒适度，本文设计了一种结合红外光电技术、嵌入式底层驱动技术、Android技术和模糊PID技术的智能更换输液瓶的多功能静脉输液监控系统．患者通过触屏按输液顺序选择药品后，该系统在SQLite数据库中自动查询该药品的理想滴速[1-4]；然后利用红外光电传感器对输液过程进行实时监测[5-11]，嵌入式Linux底层驱动程序将传感器采集的信息转化为滴速和药液有无等信息；该系统运行于Android系统[12-14]，APK应用程序利用NDK获取到驱动程序的滴速和药液有无等信息，发送控制指令到驱动程序以控制执行器更换输液瓶和滴速调整．同时，该系统还提供音视频播放、游戏、网页浏览、USB充电等多种功能．当输液完毕时，系统会发出报警信号以提醒医护人员及时地处理，提高安全性以减少医疗事故．该系统具有方案简单、操作方便、功能多样、舒适性好的特点，具有很好的应用前景．

1 系统方案设计

该系统的硬件结构见图1．每个储液瓶都配有药液有无传感器和换液执行器．如果药液有无传感器监测到滴管内没有药液时，控制器会打开下一输液瓶的换液执行器以继续输液．如果最后一个输液瓶的滴管内没有药液时，控制器会关闭滴速执行器以停止输液，且发出报警信号．该系统主要由控制器、执行器、传感器、报警器和人机交互组成，其结构见图2．

图1 硬件结构示意图

图2 系统结构框图

1.1 控制器

控制器由ARM Cortex A9处理器S5P4418及其外围电路组成（见图3）．S5P4418为4核处理器，CPU频率为1.4 GHz，支持图形加速器、视频解码、视频编码．该控制器运行于Android系统，其应用程序APK采用 Android Studio作为开发工具．APK使用Java语言进行开发，而图1中驱动电路的驱动程序使用C语言进行开发．APK通过NDK调用驱动程序，APK位于应用层，驱动程序位于内核层．

图3 控制器

该系统采用“平台总线+杂项设备+中断处理”的模式编写驱动程序，驱动程序最终编译成KO模块，采用insmod安装KO模块进内核Kernel，在“/dev”目录下面会创建相应的设备节点．APK利用NDK调用驱动程序的open()，close()，read()，write()，ioctl()等函数就可以与驱动程序进行通信，只有驱动程序才能够直接控制硬件．

APK的功能选择页面见图4a，单击“添加药品”按钮进入添加药品信息界面（见图4b），它向SQLite数据库添加药品信息，信息包括药品的名称及其滴速．单击图4a的“删除药品”按钮进入删除药品信息界面（见图4c），单击药品名称从SQLite数据库删除药品信息．单击图4a的“开始输液”按钮进入按输液顺序选择药品信息界面（见图4d），选择药品，单击“开始输液”按钮进入监控界面（见图4e），监控画面显示药品的名称、理想滴速、实际滴速和当前状态．

同时，该系统利用Android系统能够实现音视频播放、游戏等功能，这些将极大地提高患者的舒适度．

图4 系统应用程序

1.2 传感器

传感器用于监测滴速和药液有无，它是该系统的反馈环节，对控制精度的影响很大．本文把红外光电技术应用于传感器，该方案具有简单方便、价格低廉的特点．传感器通过排线与控制器相连（见图5）．

1.2.1 监测药液有无的传感器 红外发射管和接收管分别固定于穿刺器下方滴管的两侧，保持水平对准．当滴管内有药液时，由于药液对红外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的红外光减弱．当滴管内无药液时，接收管接收到的红外光变强，这导致该传感器的输入端电压产生明显地变化．利用LM339把输入信号整形转换为低电平为0 V且高电平为5 V的阶梯信号INT1．驱动程序监测到INT1的下降沿，并触发中断，执行中断处理程序，记录药液有无信息．APK利用NDK读取该驱动程序的“当前药液有无信息”，并更新监控界面．该传感器电路的原理图见图6a，其中P6连接红外发射管且P7红外连接接收管．为了克服环境光的干扰，对红外光电对管进行隔光处理（见图6b）．

图5 传感器通过排线连接控制器

图6 监测药液有无传感器

1.2.2 监测滴速的传感器 红外发射管和接收管分别固定于漏斗的两侧，保持水平对准．当红外光线分别照射在液滴的上、中、下端时，由于药液对红外光的反射、折射、吸收等作用，接收管接收到的光强会发生变化，这导致该传感器的输入端电压产生一个双波峰信号．利用LM339把输入信号整形转换为低电平为0 V且高电平为5 V的双脉冲信号．利用NE555的单稳态触发器滤除第２个脉冲的干扰，这样每个液滴便产生一个脉冲信号．连续的液滴导致连续的脉冲信号INT0．驱动程序监测到INT0的下降沿，并触发中断，执行中断处理程序．中断处理程序记录相邻２次液滴之间的时间间隔且计算出当前滴速．APK利用NDK读取该驱动程序的“当前滴速信息”，并更新监控界面．该传感器电路的原理见图7，其中P8连接红外发射管且P9红外连接接收管．为了克服环境光的干扰，对红外光电对管进行类似于图6b的隔光处理．

图7 监测滴速传感器原理

1.3 执行器

执行器由更换输液瓶的执行器和控制滴速的执行器组成．它们结构相同，都是由驱动电路、步进电机和夹持器组成．控制器按照规定的时序发送信号给ULN2003芯片（见图8a），它是7路达林顿驱动器阵列组成的集电极开路输出反向器，最大驱动电流可以达到500 mA，满足步进电机的驱动要求．步进电机拖动夹持器夹紧或放松滴管（见图8b），进而改变滴管的横截面积以调整滴速．更换“输液瓶的执行器”的驱动程序记录药液有无信息，“控制滴速的执行器”的驱动程序记录步进电机的转动圈数，转动圈数不可大于设定阈值（完全夹紧状态）或小于设定阈值（完全放开状态）．APK利用NDK读取该驱动程序的当前圈数信息，并与滴速信息构成一个反馈系统，发送调整信号给执行器．

图8 执行器理

1.4 报警器

报警器用于静脉输液结束时发出报警信号．控制器通过I2C总线向驱动电路发送信号，驱动电路主要由音频芯片ALC5621（WM8976）和音频功率放大器AW8010AFCR组成（见图9），驱动电路控制扬声器发出声音．

图9 报警器的驱动电路

1.5 人机交互

S5P4418内部包含了触摸屏的驱动电路，只需把S5P4418相应引脚引出到外设接口（见图10），然后把外设接口连接到触摸屏，那么控制系统就可以直接与触摸屏进行通信．

图10 触摸屏的外设接口理

2 系统软件设计

2.1 系统软件设计思路

该系统的APK负责对系统进行可视化管理，其软件流程见图11．通过“添加药品”和“删除药品”向药品信息数据库增加和删除信息．当“开始输液”时，该系统通过SQLite数据库查询第1瓶药品的理想滴速，打开“更换输液瓶的执行器”．通过NDK获取“监测药液有无的传感器”驱动程序的当前药液有无信息．如果有药液，那么通过NDK获取“监测滴速的传感器”驱动程序的当前滴速信息，更新监控页面，计算“调整量”，且通过NDK发送调整信号给“控制滴速的执行器”驱动程序以调整滴速．如果没有药液，那么判断是否还需要输液．如果是，从数据库中获取下一瓶药品的理想滴速，打开“更换输液瓶的执行器”，重复第1瓶的监控过程．如果否，那么通过NDK发送调整信号给“控制滴速的执行器”驱动程序，完全夹紧夹持器，发出报警信号，返回到功能选择页面．

图11 软件流程理

2.2 计算调整量

该系统改进了模糊PID控制算法以提高对滴速误差的响应速度．

式

2.2.2 模糊控制算法 模糊控制首先根据经验总结出一系列控制规则，然后通过模糊推理和查表使用这些规则．典型的模糊控制器结构见图12．

图12 模糊控制器结构

其处理过程：

2.2.3 自适应调整论域 控制器根据误差及误差变化率实时地调整论域，对调整后的论域重新计算输入量化因子和输出比例因子．在不增加模糊等级数量的前提下，使同一模糊等级对应的范围根据实际情况自适应地扩大或者缩小，进而提高模糊控制器的控制精度[15-16]．

（8）计算真实输出量

（9）执行．

表1 控制量U模糊规则控制

3 实验与分析

通过实验对系统性能进行测试．改变滴速的给定值，测量范围为25~100滴/min，每增加25滴进行一组测试，每组测试测量20组数据，系统达到稳定后，实际滴速和响应速度见表2．测试结果表明，采用该监控系统的滴速误差最多为±2滴/min，调节时间小于20 s，调节时间短，稳态误差下，取得了良好的控制效果，满足实际使用需求．同时系统成功地更换了输液瓶，达到了预定目标．

改进的模糊PID控制算法和传统PID控制算法的监测曲线见图13．由图13可见，改进的模糊PID控制算法启动速度快，虽引入了超调量，但很快进入稳定状态；传统PID控制算法虽然没有超调量，但需要较长时间进入稳态状态．

表2 测试结果

图13 改进的模糊PID控制算法和传统PID控制算法的比较

4 结语

本文将红外光电技术、嵌入式底层驱动技术、Android技术和模糊PID技术应用于静脉输液监控系统．该系统的控制器采用ARM Cortex A9处理器S5P4418，运行Android系统，采用可视化管理，同时提供音视频播放、游戏、USB充电等功能，人机交互性好，提高患者的舒适度．该系统的传感器采用红外光电技术，其驱动程序由C语言编写且运行于内核层，APK通过NDK获取驱动程序的信息，简单方便，价格低廉．该系统的执行器采用步进电机拖动夹持器以调整滴速．控制器、传感器和执行器构成一个反馈系统，实验结果表明，该系统的控制精度满足实际使用需求，提高了医护人员的工作效率，提高安全性以减少医疗事故，具有方案简单、操作简便、功能多样、舒适性好的特点，具有很好的应用前景．

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Intravenous infusion monitoring system based on fuzzy PID

SONG Ping1，ZHANG Haopeng1，FAN Meihua2

（1. School of Computer and Control Engineering，2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

In order to effectively solve the problem of dripping speed control in the process of intravenous infusion，no prompt after intravenous infusion，replace the liquid storage bottle manually and poor patient comfort，a monitoring system is designed based on optoelectronic technology，embedded underlying driver technology，Android technology and fuzzy PID technology. The system uses infrared photoelectric sensors to monitor the infusion process in real time. The driver of the sensor collects information such as the drip rate and the presence or absence of the drug. APK uses NDK to obtains information from the driver of the sensor，and send control commands to the driver of the actuator，replace the liquid storage bottle and adjust the drip speed with the actuator. Experimental results show that the system is able to accurately monitor the drip rate and send an alarm signal，improve safety and patient comfort.

photoelectric monitor；embedded system；monitoring system；intravenous infusion

TP274

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.008

1007-9831（2020）03-0043-08

2019-09-24

2019年黑龙江省大学生创新创业训练计划资助项目（201910232146, 201910232194）

宋平（1996-），男，黑龙江齐齐哈尔人，在读本科生．

张浩鹏（1983-），男，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，从事嵌入式方面研究．E-mail：haopeng1983@163.com