一种便携式无线输液报警器的设计

孙鹏（通信作者），唐永菁

山东威高药业股份有限公司 （山东威海 264200）

静脉输液是临床治疗中非常重要的一环，通常情况下，其持续时间较长，而由于患者、陪护家属或责任护士不能始终观察输液情况，导致输液完成后患者可能会出现由于压力差而造成回血的情况，甚至出现更换输液器和重新穿刺的情况，增加患者痛苦，引发医患纠纷。目前，由输液完成未能及时处理而引起的医患纠纷已受到社会的普遍关注。基于此，本研究设计了一种便携式无线输液报警器，旨在为患者提供安全保障。

1 输液报警器的应用现状

目前，国内外常用的输液报警器按照检测原理主要分为光电式报警器、光纤式报警器、超声波式报警器、称重式报警器及电容式报警器几种。（1）光电式报警器：通常安装在输液管壁外侧，由红外发光二极管和红外光敏二极管构成，当药液遮挡红外线时，红外接收管电位发生变化，以此来判断输液是否完成[1]。（2）光纤式报警器：通常安装在输液瓶的瓶口位置，利用光在液面发生折射来确定液面的高度，当液面到达指定报警位置时，全反射光线将入射到光纤接收端，实现输液瓶内液位的高度测量。（3）超声波式报警器：通常安装在输液瓶的瓶底位置，利用高频声波的反射原理测量液位高度，即仪器发出的超声波脉冲传到液面时会被反射，测出瓶内液位的高度。（4）称重式报警器：通常安装在输液支架上，并将输液瓶悬吊，通过力学传感器将输液瓶重力的变化转变为信号的变化，来判断输液是否完成[2]。（5）电容式报警器：通常安装在输液管壁外侧，利用液体和空气的介电常数不同，引起电容器的电容量变化，来判断输液是否完成。其中，光电式报警器体积小，易操作，但对于无色的药液不灵敏，容易产生误报警，所以应用受限；光纤、超声波和称重式报警器虽然比较精准，但易受支架晃动和光线变化等外界环境的影响，并且每次更换输液瓶都需要重新调整和固定，操作较烦琐，且整体体积大，应用不方便[3]；电容式报警器体积小，安装方便，对药液无特殊要求，所以在本设计中选择电容式检测方式。

2 便携式无线输液报警器的设计

2.1 设计原理

通过对比以上多种报警器，本次的报警器采用电容式方案设计，两个平行电容板在报警器输液管的前后两侧，根据平行电容板的电容值公式C=ε×S/d（其中，ε 为平行电容板之间介质的介电常数，S 为极板面积，d 为极板间的距离，水的介电常数约为78.5，空气的介电常数约为0）[4]，在极板面积和极板间相对距离不变的情况下，当输液器中液面不断下降并经过平行电容板时，介质由药液变为空气，引起电容变化，报警器开始工作。

2.2 结构设计

报警器外壳采用牢固无害的PE 材质，整体设计简洁，可防止意外碰撞而损坏；夹扣采用前后相互嵌套的设计结构，扩大了内部集成电路板的安装空间，以弹簧方式实现，单手可以操作，方便快捷；启动开关采用圆形凹陷的按键方式，防止误操作，并通过电源灯常亮显示启动和关机状态；输液完成的报警采用声光同时报警的方式，即LED 灯按设定频率闪烁，蜂鸣器一直工作，直到按下复位按钮（采用方形凹陷设计，防止按错），声光报警停止。产品外形见图1。

2.3 系统设计

该报警器主要分为电容式检测报警装置及与医院呼叫系统相连的无线触发呼叫装置两部分。其中，电容式检测报警装置由5 V 纽扣电池提供电源，配置一套用于液位检查的电容式传感器，选择蜂鸣器和LED 灯作为单机声光报警，以夹扣的方式固定于输液器管路上，夹扣内与输液器接触的部分配有软橡胶，用于在保持扣紧的基础上保护管壁不受破坏。无线触发呼叫装置安装于护理床上并与医院的呼叫系统相连，通过无线模块获得报警装置的信号，并通过继电器触发医院的呼叫系统。

2.3.1 控制系统设计

控制系统采用的控制核心为AT89C52，其是新一代高速、低功耗、超强干扰的8位单片机，响应速度快，运行稳定可靠，已被广泛用于医用电子行业[5]。系统通过电容传感器感应输液管中的液位，当液位低于传感器位置时，传感器电容发生明显变化，从而引起电路中电压的变化，由此将液位物理信号转变为电路的电流信号，该电流信号经过整流、滤波和放大后传输给单片机，单片机开始运行报警程序。

2.3.2 信号无线传输系统设计

本设计选用nRF24L01无线收发模块（对电压要求较高，即要求供电的电压足够稳定，所以需要将5 V 电源转化成3.3 V 的理想工作电压），工作频率为2.4 GHz，可靠性好，功耗低，支持多频多通道通信[6]；此外，采用PCB 内置天线（减小了设备体积），可靠传输距离为10 m，满足使用要求；利用AMS1117-3.3转换模块，不仅能够改变电压，还具备较好的稳压功能（有效稳压精度为1%）[7]。降压电路设计见图2。

2.3.3 与医院呼叫系统的对接系统设计

根据实际液位变化，安装在输液器上的检测报警装置会发出声光报警，同时，为了进一步保障患者的输液安全，该报警信号会通过无线传输的方式触发医院的病床呼叫系统，将情况及时通知护士站的值班人员。本对接系统的无线收发模块选择nRF24L01，控制芯片选择AT89C52，单片机通过控制继电器的通断来实现呼叫功能。因为单片机实际的端口输出电流很小，通常无法直接驱动继电器[8]，所以本设计采用增加单片机输出端的三极管放大电路来实现呼叫功能。放大电路见图3。

2.4 程序设计

在硬件电路的基础上，通过Keil C51编写软件程序，实现输液器中液面高度的监控和报警。（1）声光报警程序：按下启动按钮后，系统开始工作，电源灯常亮显示启动状态，当传感器感应到液面变化时，报警程序启动，蜂鸣器和报警灯开始工作，同时，报警信号通过无线传输触发医院的呼叫系统，直到复位按钮被按下，系统停止报警[9]。（2）信号无线收发程序：nRF24L01模块的数据传输通过SPI 接口实现，SPI 的接口时序由单片机的IO 口提供，参数设置时应保证发送和接收两端的地址宽度、信道工作频率等参数相同，本设计中，为保证数据的正确性，采用16位CRC 校验。

3 小结

本研究设计了一种便携式无线输液报警器，体积小，无外接电源和通信线，方便携带，实现了独立声光报警的同时，可以通过无线的方式触发医院的病床呼叫系统，不仅降低了看护人员的劳动强度，提高了医护人员的工作效率，而且提升了医疗病房信息化和智能化水平，能够在医疗应用中起到良好的辅助作用。