基于无线传感网络输液报警系统的设计与应用研究

文家雄，邓杰

四川信息职业技术学院 电气工程系，四川 广元 628040

引言

静脉输液作为一种常规的医疗手段，在临床医疗中得到了广泛的应用[1-3]。它主要通过液体直接将药物输入体内，来达到治疗疾病的目的[4-5]。目前大多数医院普通科室采用的是传统的输液模式，这种模式下需要护士、病人甚至病人家属对输液液体进行实时监控，这种模式不仅效率低下，还会浪费大量的医护资源[6-7]。且目前使用医疗报警设备的大多集中在重症监护室，这些设备不仅价格昂贵，还存在着使用不便、造价昂贵等缺陷[8]。为有效解决上述问题，众多科研人员进行了不断地研究与改进。以传呼系统为例，它作为常用的传统输液模式之一，需要先在护士站和病床之间进行大量的线路连接，然后在使用时手动按下报警按钮，向护士站发送输液完成信息，最后护士根据接收到的信息再进行处理。这套系统虽能提高医护人员的工作效率，给病人提供了较大的便利，但仍需要实时关注输液瓶中的剩余量[9-10]。随着微电子技术和无线通信技术的发展，医疗设备逐渐进入了信息化时代[11-12]。为了解决上述设备存在的问题，张超平等[13]用51单片机和非接触电容式液位传感器等元器件，设计了一个便携式输液监控系统。该系统利用LC12S串口，进行无线传输，可实现多点采集、统一管理和声光报警等功能。但该系统存在着自身制造工艺和设备许可等问题，难以向市场推广。刘传朋[14]采用ZigBee无线传输技术，设计了一款基于CC2530单片机的无线输液报警系统。在该系统中，CC2530单片机作为数据处理中心和路由发射端，通过组播的方式，将光敏传感器实时检测到的液滴变化情况发送给终端。在该系统下，虽能有效实现液体输完时的声光报警，但仍存在着光敏传感器采集数据时易受干扰等缺陷。

为此，本文为有效解决传统输液报警系统布线繁琐、无法实时监测和传输效率低等问题，提出一种基于自由竞争模式的无线传感网络架构体系，并以此为模型研制出一种新型的无线输液报警系统。经过近半年的临床实践，验证了该系统的可行性与普适性。

1 系统组成

根据医院的应用需求，系统以100张病床的某住院科室为临床实验基地，工作于无线传输模式；无线信号的作用半径≥1000 m，具有“穿墙”功能，信号传输延迟时间≤0.5 s；系统能够实时检测病人的输液信息，包括自动检测输液是否正常、故障及完成，并在监控机上实时显示；当发生输液故障时系统自动发出声、光报警，直到医护人员处置完毕。据此，该系统基于无线传感网络理论架构和嵌入式控制技术，实现物联网功能，其原理框图如图1所示。

图1 无线输液报警系统原理框图

系统工作流程为：输液传感器通过夹具安装在输液管上实现液体流速的实时监测，并控制STC15W201S单片机发送信息，单片机根据预设程序控制Wi-Fi模块持续发射输液状态信号，护士站的STC8A8K64AS12单片机对接收的Wi-Fi数据进行处理，并且驱动相应模块工作，如果发生输液异常情况，则在VGUS监控机上显示故障的床位信息，并发出声、光报警信号警示医护人员及时处理。

系统实物组成如图2所示。包括无线传感发射“云”、主控制器MCU、VGUS监控机及PC上位机等部分。无线传感发射“云”是系统关键部分，完成输液信息的实时采集和传输；主控制器MCU负责“云”数据的接收和处理，并把处理信息送达监控机和PC上位机；PC上位机主要用作调试和观察数据的有效性，国产的VGUS液晶屏用作系统的监控机，是医护人员监控病人输液信息的终端。系统各功能模块分述如下。

图2 无线输液报警系统实物组成图

1.1 硬件系统组成

1.1.1 无线传感发射“云”

根据我国国家三级医院的实际情况，系统的无线传感发射“云”由不小于100个无线发射机（对应某三级医院一个住院科室的100张病床）组成，是系统信息采集、处理和传输的关键部分，各无线发射机工作在相同信道，采用“先到先得”的自由竞争模式抢占接收机工作信道，从而组成类似“云”的信息传输与存储空间，其原理如图3所示。

图3 无线输液报警系统之无线传感发射“云”原理图

定义r(t)为传感器检测到的报警信号，通过STC15W201S单片机生成监测序列，见式(1)。

式中，u(t)为序列选择器从无线传感发射云中获取的报警信号，y(t)为STC8A8K64AS12单片机处理之后的信号，g(t)为反馈信号。

由于网络带宽有限，为获取资源，各节点之间经常互相竞争，这种竞争机制使得信号在传输过程中容易出现丢包、时延等现象。在本系统中，报警信号无优先级，故在这种模式下会形成一种特殊的自由竞争模式。同时为保证发送的报警信号能被序列选择器选取，设置Wi-Fi发射器发送报警信号到上位机时间为50 ms。报警序列选择器每隔100 ms从中随机选取报警信号。无线传感发射“云”拓扑结构如图4所示。

图4 无线输液报警系统之无线传感发射“云”拓扑图

无线发射机由输液传感器、发射微控器MCU、无线Wi-Fi发射模块及天线组成。输液传感器总重量＜50 g，通过弹簧卡槽卡在输液管上实现输液信息的采集；发射微控器MCU工作于低功耗模式，采用高性价比的STC15W芯片，完成输液信息的处理；无线Wi-Fi发射器采用多通道嵌入式无线数传模块HC-12，各模块工作在相同信道，发射信号在空间自自由传输，组建类似无线传感网络的发射“云”空间，完成输液信息的“云”传输功能；同时为增大信息的传输距离和无线信号的穿墙功能（＞1000 m），系统配置了轻质弹簧天线。

1.1.2 无线接收机

系统的无线接收机由高增益天线和无线接收Wi-Fi模块、接收MCU控制器和报警及显示终端组成，其组成框图如图5所示，PC机用作系统调试。

图5 输液报警系统之无线接收机框图

无线接收Wi-Fi与无线发射Wi-Fi模块工作机理相似，工作信道完全相同，从而保证能够准确接收无线传感发射“云”空间传输的输液信息，并滤除无关干扰；接收MCU控制器也采用高性价比的STC8A8K芯片，由于病人输液信息的传输是随机的，故信息接收工作于自由竞争模式，即“先来先收，循环处理”，接收MCU把处理后的信息送监控机便于实时监控，也可送PC机进行信息分析，通过虚拟仿真和系统的临床实践，完全保证了输液信息的时效性及实用性；监控机采用国产的武汉中显科技有限公司的VGUS作为系统的上位机，完成住院科室输液信息的实时监控，包括各病床输液正常、故障和完成等不同信息的颜色显示、声音报警及输液信息记录等功能。

1.2 软件系统流程

1.2.1 无线发射系统软件流程图

由前文硬件设计部分可以知道主机与各传感器之间通过无线Wi-Fi产生信号交换，针对某一个无线传感器，当检测到液体流动时，发射输液正常指令；当传感器检测到液体流尽时，发出输液故障指令。其工作流程如图6所示。

图6 无线输液报警系统的无线发射机工作流程图

1.2.2 无线接收系统软件流程图

在系统无线接收部分，当接收到输液正常指令时，系统显示正常（绿色）；当系统接收到液体流尽指令时，系统发出警报（红色），并显示报警床位。本系统对每个床位进行编号，以1号床举例，正常状态时向系统发射01H，此时显示器上显示绿色；当发生报警之后，向系统发射81H，此时显示器上显示红色，并发出报警。无线接收系统软件流程如图7所示。

图7 无线接收系统软件流程图

2 临床应用

传统的有线输液报警装置，需要人工干预才能建立病患与医护人员的信息联系，医疗机构的管理者很难实时掌握病床的利用率，一旦发生医患纠纷，没有可用的后台数据作为证据，倘若有几个报警器同时报警，医护人员需要排查设备的位置等一系列问题[15-16]。

通过调研，适用于医护人员临床使用的输液报警器既不能改变输液器本体的结构，还不能影响输液液体成分，同时还具有重量轻、安装和操作简单、成本低、电池续航时间长，输液完成的报警信息要及时准确并且误报率低，医护人员和管理者从护士站通过下位机可实时了解所有病床的输液状态等特点。

为实现上述功能，本文采用一种自由竞争式主从机无线通信方式，从机由多个Wi-Fi无线传感节点组成，节点重量≤50 g，主机由无线Wi-Fi接收机和VGUS下位机组成，安装在护士站。主机与从机通过Wi-Fi无线通信进行输液信息的实时传输与后台记录，无需布线和人工干预，病床信息记录及时准确，医护人员通过护士站的下位机既可了解任一病床的输液状态，又可掌握全院病床的使用率及医疗质量情况。系统实物如图8所示，无线Wi-Fi发射节点临床工作情况如图9所示。

图8 项目产品实物图

图9 无线Wi-Fi发射节点工作图

为验证本系统的实用性与可靠性，在2020年1至6月，以国家三级乙等医院—广元市第二人民医院五官科的100张住院病床为样本，记录病床每天输液时使用本系统的次数和误报次数，统计每月的使用总次数和误报总次数，从而计算本系统的月误报率：月误报率 =（月误报总次数÷月使用总次数）×1000‰。

本系统在四川省广元市第二人民医院临床应用数据统计如表1所示。该表以该医院五官科100张住院病床为数据采集来源，记录2020年1至6月的输液信息，包括当月使用本系统的总次数和发生输液信息误报（正常、空床、故障）的总次数。由于数据本身极值小（误报次数为0和1），故而采用算术平均数方法对其进行处理，根据式1计算当月的月误报率和半年平均误报率。

对表1临床应用及统计结果进行分析，本系统在半年的临床使用中，样本总数达到6097次，而三种可能发生误报的情况下发生误报总次数仅为3次，平均误报率低于0.5‰。

表1 临床应用数据统计表

传统的有线输液呼叫器需要患者有自主行为能力或者陪护人员，同时医护人员需要时实巡查病房，这必将增加病患和医疗机构的人力、物力和财力负担，也不便于管理者对医护人员和医疗资源的时实掌控。从表1数据可知，本系统工作稳定可靠，在室内通信距离超过200 m的范围内可准确传输监测信息，月误报率和半年平均误报率均小于医护人员和患者的期望值（1‰），实现了无人看护的安全输液功能，从而减轻患者的陪护负担，节约医护人员的查房时间，有利于医护质量的提高和医患关系的改善。

3 总结

本文针对传统输液报警器布线困难和无法对液体进行实时监测、实时显示和及时预警等显著缺陷，提出了一种新型的基于自由竞争模式下的无线传感网络架构体系，并以此研制出了一种新型的无线输液报警系统，实现在无人看护情况下，病人输液信息的语音报警、病床号智能显示、日志记录、病人与医护人员的信息同步等功能。并通过在本地三级乙等医院近半年的临床实践，对本系统的有效性和普适性进行了实际验证。结果表明，本系统能大大减轻医护人员的病房巡查工作量，甚至不需要病人家属的陪护，提高了医护质量和效率，节约了医疗成本和医护资源，达到了前期调研预期的目标，也说明了本系统具有较高的推广价值。目前，我们团队正在进行该项目科研成果的转化工作。

本文研究系统为本团队输液报警器的初代产品。随着MEMS应用技术、控制理论和算法在“智慧医护”领域的深入应用，将预测控制、网络化控制等先进控制理论用于输液故障的预判和液体的自动开启和关闭功能，开展“AI+智慧医护”技术的应用研究，是本系统下一步研究的主要方向。