基于HC-12无线模块的静脉输液远程监控系统

2020-12-07覃茂昌庞美伶郑永杰钟翠丽罗晓春陈俊帆袁琳

物联网技术 2020年11期

覃茂昌庞美伶郑永杰钟翠丽罗晓春陈俊帆袁琳

摘要：在各级医院中，静脉输液是一种普遍的治疗手段。针对医院传统静脉输液的病人多且输液时间长，造成医护人员工作压力大等问题，文中设计了一套基于HC-12无线模块的静脉输液远程监控系统。该系统采用红外对射管进行液滴信号的采集，通过STC89C52RC单片机进行编程控制，实现对患者输液状态的远程监控。在实验中，该系统能实现患者静脉输液滴速、剩余量等状态的动态监控以及异常情况的声光警报。

关键词：静脉输液;智能监控;STC89C52RC;HC-12无线传输;红外光电传感;输液滴速

中图分类号：TP391;R471文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0 引言

静脉输液因其有着安全便捷、见效快、生物利用度高等优点成为临床医学普遍使用的一种辅助治疗手段[1-2]。在对病人进行输液治疗的过程中，医护人员须根据每个患者的病情轻重而对输液速度进行调节。如输液过快，将会导致循环血量增加，加重心脏的负担，引起副作用及不良反应;当输液太慢时，将可能导致血凝块堵塞输液针管[3-4]。

因此，在许多中小型医院中，病人患者在静脉输液治疗过程中通常需要医护人员或者患者家属进行监护。这极大地增加了医护人员的工作量及工作压力，医护的效率和质量难以提高，也常常造成一些病人的不满和投诉，甚至引发医患纠纷[5-7]。

为解决上述问题，本文设计了一种基于HC-12无线模块的静脉输液远程监控系统。该系统包括两个部分：一部分是作用于静脉输液端的静脉输液状态采集系统。该系统通过红外对射管检测液滴信号，将STC89C52RC作为主控制板进行数据处理，当输液数据异常时进行声光报警，并且将数据通过HC-12无线模块传输。另一部分是放置在护士站，供医护人员使用的静脉输液状态监控系统。该系统通过HC-12无线模块接收患者静脉输液状态的信息，通过STC89C52RC单片机进行数据处理，将输液状态信息通过LCD显示屏显示，并且当监控到输液信息异常时发出声光报警。通过HC-12无线模块实现的静脉输液远程监控系统，有效降低了医护人员的劳动强度，可以帮助医护人员更好地监测各病患的输液情况。

1 系统总体结构

基于HC-12无线模块的静脉输液远程监控系统的总体设计结构如图1所示。它主要由作用于静脉输液端的静脉输液状态采集系统和作用于护士站的静脉输液状态监控系统两部分组成。

静脉输液状态采集系统由STC89C52RC主控制模块、速度检测模块、声光报警模块、显示和按键模块、无线发送模块组成。其采用红外光电传感器检测液滴信号，将信号整形后传输给单片机STC89C52RC进行数据处理并加以显示。当滴速超过所设定的阈值时将触发声光报警，提醒患者家屬以及医护人员及时处理，并且实时通过无线发送模块发送输液状态。

静脉输液状态监控系统包括STC89C52RC主控制模块、无线接收模块、LCD显示模块和声光报警模块。其中，主控制模块通过无线接收模块接收静脉输液状态的数据并进行数据处理;对输液各类数据进行LCD液晶屏显示，并对异常输液情况进行报警，从而实现对患者静脉输液的远程监控。

2 系统硬件电路设计

2.1 静脉输液状态采集系统

2.1.1 主控制模块

此部分设计采用单片机STC89C52RC作为主控制板。STC89C52RC是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，片内含有3个16位定时器/计数器、4个外部中断、全双工串行口。主控制模块及其外围电路如图2所示。

2.1.2 速度检测模块

点滴速度检测模块通过红外对射管进行滴速检测。LM393为双电压比较器，用于液滴信号的整形。当有液滴滴下则a点输出高电平，此时第6引脚电压高于第5引脚，P3.3口输出低电平，信号灯D3亮起，表示检测到液滴信号;若无液滴滴下的情况则反之。速度检测模块电路如图3所示。

2.1.3 声光报警模块

声光报警模块如图4所示。系统工作前先手动设置滴速的上、下限以及输液容量，若检测到的速率超过预先设置的阈值范围，蜂鸣器启动，报警LED灯亮起。若在阻塞或药液输完的情况下，系统超过10 s没有检测到液滴，同样触发声光报警。

2.1.4 显示和按键模块

数据收集和发送部分的显示采用两位LED数码管，显示范围为0～99。此部分有四个工作模式，分别对应正常测滴速、滴速上限的设置、滴速下限的设置以及输液总容量的设置这四个功能模块。工作模式的切换以及参数的设置通过三个独立按键实现。

2.1.5 无线发送模块

静脉输液状态采集系统在检测到液滴信号并经过数据处理后，通过无线传输模块HC-12将数据发送到数据接收器。无线传输HC-12的连接方式如图5所示。方案选择的HC-12模块完全符合所需的功能以及环境条件的需求。其模块内置有MCU，且无需再对无线模块中的MCU另外软件编程，在模块可选的各种传输模式下，只负责发送和接收串口数据。该模块分立元件很少，传送延时仅仅4～80 ms，通信方式是半双工通信。此传输模块具有较广的传输范围，在1 000 m范围内都可正常通信，且在正常传输范围内的传输效率非常高。

2.2 静脉输液状态监控系统

本系统放置在护士站供医护人员使用。系统通过HC-12无线接收模块对静脉输液采集系统采集到的静脉输液状态进行无线接收，再对其进行数据处理和显示。

2.2.1 主控制模块

数据接收部分的数据处理同样采用单片机STC89C52RC完成。无线模块HC-12接收到数据后，将其传输至单片机内部进行处理。无线模块HC-12接收到的数据包括输液瓶的编号、总液量、滴速、滴速的上限和下限，单片机分别将数据进行分离处理，并将其显示在LCD1062液晶屏上。

2.2.2 LCD1602显示模块

显示采用LCD1602字符型液晶屏，LCD液晶显示屏电路原理如图6所示。显示的内容包括病患的床位编号、药液当前滴速、输液药物总量、所设置滴速上限及下限、开关标志，分两行显示。例如N10 V60 C400，H80 L40 K1，依次表示为：病床号10、滴速60滴/min、总量400 mL、上限80滴/min、下限40滴/min、开关打开。

此系统还包含了声光报警电路。当病人输液端的数据异常时蜂鸣器报警，并点亮LED报警指示灯，提醒医护人员需要换液或者处理其他异常情况，该系统减轻了医护人员的工作量。

3 系统软件设计

3.1 主函数设计

此部分软件主函数设计流程如图7所示。主要实现流程为：首先对定时器进行初始化，再分别调用显示子函数以及扫描按键子函数，当检测到液滴信号则打开计算开关进行滴速的计算。

3.2 按键功能设计

按键控制着工作模式以及输液参数的设置，各按键的功能以及工作模式的设置流程如图8所示。开机即默认进入工作模式1，按下按键1工作模式加一，工作模式2和工作模式3分别用来设置正常滴速的上限和下限，按键2和按键3分别为数值的加键、减键，工作模式4为输液容量的设置。

4 实验

实验过程中，静脉输液状态采集系统如图9所示，静脉输液状态监控系统如图10所示。将输液袋装满水，并将茂菲氏滴管（Murphys Dropper）夹在静脉输液状态采集系统的红外对射管之间，一旦系统中的LED信号灯闪烁则代表传感器检测到了液滴滴下。通过外接电源为采集系统提供5 V工作电源，将按键控制部分焊接到独立的洞洞板上，以方便调试过程中工作模式的设置。无线模块发送端则通过RXD、TXD通信接口与主控单元连接，共地共电源。

通过按键设定滴液速度的上限和下限（滴/min），设定输液袋的液体容量。打开茂菲氏滴管夹，开始滴液，红外对射管实时监测滴液的速度，当滴速超过所设定的阈值或输液状态发生异常，该模块发送声光报警提醒患者和医护人员，并且通过无线传输发送模块将输液瓶的编号、药液总量、滴速和上下限发送到护士站端的静脉输液状态监控系统。

通过外接电源为静脉输液状态监控系统提供5 V工作电压。该监控系统通过无线接收模块接收输液瓶的编号、药液总量、滴速和上下限等信息，通过单片机控制显示在LCD液晶屏中。当输液状态发生异常或滴速超过所设定的阈值时，该监控系统发送声光报警提醒医护人员及时处理。

5 結语

基于HC-12无线模块的静脉输液远程监控系统采用MCS-51单片机和红外对射管传感器，具有低成本、高速度、操作简易、使用方便、易于推广的优点。两个分系统之间的数据传输采用HC-12无线传输方案，无线传输距离远且速度快，传输数据的过程也很稳定，使得系统具有很好的可扩展性。

随着网络技术的飞速发展，人们对医疗设备的要求越来越高。静脉输液是医院非常普遍的治疗手段[8-10]，输液监控器材的使用也愈发广泛，且智能监控设备的发展趋势是无线化、网络化[11-12]，因此本文提出的输液远程监控系统将会成为各医院的主流产品，市场应用前景广阔。

注：本文通讯作者为覃茂昌。

参考文献

[1]徐荣吉.基于无线Mesh网络的输液滴速光电监测系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2019.

[2]陈瑞玲，赵志刚. 关于静脉滴注给药速度的几个问题[J]. 临床药物治疗杂志，2007，5（6）：43-45.

[3]周国运.单片机原理及应用：C语言版[M]. 北京：中国水利水电出版社，2009.

[4]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，2007，22（5）：455-459.

[5]袁衡新.浅谈输液系统的现状与展望[J].现代医学仪器与应用，2008，21（3）：72-74.

[6]张晓航，石璇，王皓，等.一种输液报警器的设计[J].科技视界，2015，5（14）：26.