基于声音识别的静脉输液结束自主报警小助手

当前医院里一个普遍的现象是，病人输液结束后需要看护人员及时按呼叫按钮通知护士来病房处理。目前市场上有一种便携式输液报警器，可以夹挂在输液管上，陪护人员听到报警音后能立即通知护士，但还是离不开人员的陪护。

通过查阅文献，我發现输液报警系统是一个研究热点，比如，有专利公开了一种智能病房输液监控系统，可通过蓝牙传输等技术，远程监测病床的输液结束信号并在前台提醒护士，前提是需要对医院的现有硬件设备进行大规模改造，因改造成本太高，医院并未采用。我想利用医院的现有条件，通过设计一个小装置来实现静脉输液时无需人员看护。

为了实现这种想法，我设计了一个基于声音识别的静脉输液结束自主报警小助手，并与输液报警器、呼叫按钮一起构成一个输液结束自主呼叫系统。它能通过对报警音的即时识别，控制执行器实现对护士台的自动呼叫。

一、设计原理

自主呼叫系统由一个基于声音识别的输液报警助手、输液报警器、呼叫按钮三部分组成。输液报警助手主要由控制器、声音采集预处理模块、驱动模块、执行模块组成，并由可充电电池供电。该系统工作原理如图1所示。

当输液将要结束时，输液报警器触发蜂鸣器发出“滴滴滴”的报警音，声音采集预处理模块采集报警音并经过预处理后将结果传至控制器，信号识别软件将分析收到的声音信号，当识别到报警音的特定声波信号时触发驱动和执行模块，执行器按动呼叫按钮，呼叫护士台。

二、设计方案

1.声音信号的采集

声音信号的采集和预处理可采用听筒和简单的信号处理电路来完成，该模块将采集到的一定强度的声音转变成控制器能接收的电平信号，并通过图2中的IN口送出。该模块成本低，可作为标准件购买。

2.报警音信号的识别

蜂鸣器发出的声音是有间隔的连续声，因此，可通过提取报警音的时间间隔特征，与设定的间隔特征或声音密码进行比较。如果相符，则判定为蜂鸣器报警;如果不符，则判定为外界杂音干扰，并通过软件过滤掉噪声，保证对输液报警音的正确识别。

通过试验发现，蜂鸣器两声之间的间隔约为650毫秒，采集4声3个间隔的识别效果较优，考虑到测量精度和容错性要求，我设置了100毫秒的密码容错范围。工作中，连续采集4声声音信号，判断两两之间的声音时间差，如果3个时间差均符合设立的声音密码，通过控制器的输出口输出呼叫执行信号，并准备下一次的报警音识别。

3.驱动和执行

当识别到报警音后，控制器输出高电平信号，如图4所示，继电器的输入引脚连接在控制器的输出口上也将变为高电平，从而触发继电器，继电器的常开触点闭合，电磁铁线圈通电，电磁铁铁芯在电磁力作用下按动呼叫按钮，完成自主呼叫的任务。

4.报警助手结构的人机工学设计

我将输液报警助手设计为固定式与便携式。固定式输液报警助手与固定呼叫按钮配合，可安装在墙上，如图5所示。便携式报警助手与便携式呼叫面板配合使用，工作中将呼叫面板置于报警助手的预留空间，即电磁铁的下方。报警助手本体采用分层设计，有机布置各功能单元，使结构更紧凑。

三、样机制作和测试

固定式输液报警助手样机模型如图6所示。壳体采用亚克力板，输液报警助手和输液报警器、呼叫按钮面板一起构成输液结束自动呼叫系统，并采用一个面板开关模拟前台接收和复位报警信号。

将呼叫按钮置于电磁铁下方，当按动输液报警器时，输液报警器发出规律的“滴滴”报警音，同时人为加入语音等噪声信号，输液报警助手能即时识别报警音，并触发电磁铁按动呼叫按钮，前台模拟面板指示灯亮，通知护士及时处理。

经过多次调试，输液报警助手执行准确，满足了使用要求，下一步将在医院实际环境中测试完善。

四、创新点

1.利用医院病房的现有条件，只需添加一个输液报警辅助小装置与便携式输液报警器巧妙配合，就能实现病人输液结束自动呼叫前台护士。

2.利用声音采集和报警音特征信号的快速提取方法，有效滤除噪声干扰，实现对输液报警音的实时准确识别。

专家点评

许雯祺同学《基于声音识别的静脉输液结束自主报警小助手》项目，属于“老题新做”的发明作品。

青少年涉及输液自动报警技术约有40年了，让我印象深刻的作品有两件，第一件是获第四届全国青少年科技创新大赛一等奖的“医用输液报警器”，由上海市第三女子中学裘苑同学发明，该作品的独到之处在于液位探测器的发明。这种液位探测器巧妙运用了电路的分布电容原理，用两块铜片作为极板，以输液瓶中的药液为介质，构成一个特殊的电容器。由于水的介电常数远大于空气的介电常数，药液输完，该电容器的介质变成空气，其容量显著减小。将电容变化量引入到电子振荡电路便可以控制电路的起振与否，从而进一步控制输出电路的导通或断开，达到报警的目的。第二件是获第十届全国青少年科技创新大赛二等奖的“滴注完了自动呼叫器”，由江西省萍矿矿业集团公司机关小学曾赛同学发明。

当然，许雯祺同学该项作品的技术成熟度、先进性、实用性比上述两款都有实质性的超越，这正是“老题新做”的意义所在。