基于物联网的无人守护输液监控系统

马 龙，邓素碧，何 铭

（1.中兴通讯股份有限公司南京研发中心，江苏 南京 210012；2.西门子电力自动化有限公司，江苏 南京 210012；3. 河北省工业和信息化发展研究院，河北 石家庄 050000）

0 引 言

患者在医院就医输液时，医护人员一般不会全程陪护，患者多依靠自己或陪护人员监视输液过程。当输液即将完成时，患者或者陪护人员通过按压病房报警器或者直接到护士站呼叫医护人员，医护人员需要立即前往更换输液瓶或者拔除针头。但如果患者和陪护人员注意力不集中，没能及时发现输液完成，医护人员未及时处理，就会造成血液回流、空气进入血管形成空气栓塞、凝血堵住针头等情况，严重时还会危及患者生命。

依靠人工监视输液过程和干预输液的方式，给患者和陪护人员带来负担，耗费了时间和精力；而且在药液即将输完时，医护人员必须立即到场处理，如果多名患者同时出现这种情况，还会导致医护人员工作紧张。

本文提出了一种基于物联网的无人守护输液监控系统（下文简称“输液监控系统”）。在不改变原有输液装置和方式的基础上，实现了输液过程的自动监控，不需要人工监视输液过程，并且可以同时对多位患者的输液进行自动监视和控制；输液即将完成时，自动关闭输液管并向医护人员报警，医护人员不需要立即到达现场，只需按部就班处理即可。从而有效减轻了患者和陪护人员的压力，降低了医护人员的工作强度，提高了医护设备的信息化程度和自动化水平。

1 系统组成

基于物联网的无人守护输液监控系统由输液管监测模块、微处理器、输液管控制模块、网络模块、智能终端模块、电源模块和物联网平台组成。其中输液管监测模块、微处理器、输液管控制模块、网络模块、电源模块位于病房内，物联网平台位于公网，智能终端模块在护士站或者由护士随身携带。系统组成结构如图1所示。

图1 系统组成结构

1.1 输液管监测模块

目前主流的输液管监测模块有以下3种类型：

（1）称重型

根据输液瓶内的药液重量变化来判断剩余药液。一般使用电阻应变式称重传感器，电阻应变片受力发生变形，其电阻值就随之变化，电阻变化经过电路转换为电信号，输出到微处理器进行处理。该类型的输液管监测模块容易被外部环境干扰引起称重波动，所以应用较少。

（2）光电型

利用光的反射或折射检测输液管中液体流过的情况，一般使用红外对管传感器，利用红外线的物理性质来进行测量。红外对管传感器由红外线发射管和红外线接收管组成，红外线接收管将红外线光信号转换成电信号，输出到微处理器进行处理。当输液管中没有液体滴落时，红外线接收管输出高电平；当有液体滴落时，由于液滴对光的吸收和散射，红外线接收管输出电平会降低。红外线接收管输出电平的变化反映了输液管中液体的流动情况。

（3）电容型

采用非接触式电容传感器，利用极板之间的电介质变化导致电容变化来检测输液管中的液体流动情况。电容值C=εS/d，当极板面积S、极板间距d固定时，电容值由介电常数ε决定，即由电容器介质决定。将输液管固定于电容的两极板之间，当输液管中有液体流动时，输液管与其中的液体构成介质；当输液管中无液体流动时，输液管与其中的空气构成介质。水的介电常数约为78.5，空气的介电常数约为0，故电容大小的变化反映了输液管中是否有液体通过的情况。电容量的变化经过测量电路转换为电信号，输出到微处理器进行处理。

输液管监测模块与微处理器的I/O连接，把传感器的输出电信号发送给微处理器。

1.2 输液管控制模块

输液管控制模块的作用是输液即将完成时阻止输液继续进行。主要执行部件采用直流电机，其功能是将电脉冲转化为角位移。直流电机与微处理器的I/O连接，接收微处理器的脉冲指令，输入电压为5 V。当接收到微处理器发出关断输液管的指令时，电机正转，带动偏心轮转动，卡紧输液管，实现对输液管中流动液体的阻断。

1.3 微处理器

微处理器位于输液管监测模块、输液管控制模块和网络模块之间，对输液管监测模块输出的数据进行处理，包括数据接收、逻辑运算、数据分析、数据发送等。

微处理器定时读取输液管监测模块的监测数据，并对这些数据进行处理。当微处理器判断输液管中没有液体流动时，给输液管控制模块发出阻断输液管的指令。另外，微处理器处理数据后，传送给网络模块。

微处理器一般采用单片机，为了方便调试和数据处理，单片机一般使用开发板。

1.4 网络模块

网络模块实现微处理器与物联网平台之间、智能终端模块与物联网平台之间的数据传输。网络模块使用的网络技术包括有线网络和无线网络，有线网络包括电话线、ADSL和光纤等，无线网络包括 ZigBee、GRPS、4G、5G、WiFi、IoT等。

1.5 物联网平台

物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端API。物联网平台通过对外提供的读写接口，接收网络模块传输的输液管监测数据，并进行存储，供智能终端获取数据。

1.6 智能终端模块

智能终端模块包括智能终端和输液监控系统APP。智能终端具有网络功能，连接互联网后可以从物联网平台获取数据；输液监控系统APP运行于智能终端，至少提供以下功能：输液作业开始、输液作业查询、输液过程监控、输液作业结束等。常见的智能终端有智能手机、医用PDA等。

1.7 电源模块

电源模块对输液管监测模块、输液管控制模块、微处理器、网络模块和智能终端模块进行供电，保证各模块正常工作。

电源模块使用9 V直流电源给微处理器供电，由微处理器的输出电压引脚给输液管监测模块、输液管控制模块、网络模块供电。智能终端一般自带电源。

2 系统软件组成

输液监控系统的软件包括微处理器软件、网络模块软件和智能终端模块的输液监控系统APP软件。

2.1 微处理器软件

微处理器软件功能如下：

（1）定时读取输液管监测模块的监测数据，监测数据是输液管监测模块输出的电信号。

（2）处理输液管监测模块的监测数据，得到输液管中液体流动状态，即输液管中是否有液体流动。

（3）当判断输液管中无液体流动，并且没有发出过控制指令时，给输液管控制模块发出阻断输液管的指令，并记录已发出控制指令。

（4）把输液管中液体流动状态数据和控制指令发送的状态数据传送到网络模块。

（5）具有复位功能。输液完成且医护人员处理后，按压复位键，微处理器响应按键，发出复位指令，输液管控制模块进行复位，电机反转，偏心轮回到初始位置；然后微处理器控制输出电压引脚，停止给输液管监测模块和输液管控制模块供电；最后复位微处理器程序，清除监测数据和各种运算数据。

（6）其他必要的管理功能，如单片机管脚设置等。

2.2 网络模块软件

网络模块软件功能如下：

（1）网络模块设置：以便利用网络资源，可以连接到互联网。

（2）传输数据：传送输液管中液体流动状态数据和控制指令发送的状态数据到物联网平台。

2.3 输液监控系统APP软件

输液监控系统APP软件运行在智能终端，主要具有以下功能：

（1）输液作业开始：输入输液患者信息和输液管监测模块信息，并将二者进行关联。

（2）输液作业查询：包括各个输液作业的开始时间、持续时间、当前状态等，还包括历史输液作业查询。

（3）输液过程监控：当有输液即将完成时，通过设置的报警方式进行报警。

（4）输液作业结束：清除输液过程数据。

（5）报警设置：包括报警方式（声、光、振动、语音等）设置、报警声音选择。

（6）通过智能终端连接到互联网，定时从物联网平台获取当前的输液信息数据。

3 系统工作过程

基于物联网的无人守护输液监控系统中，输液管监测模块实时采集监测数据，微处理器对其输出电信号进行处理得到输液管中液体流动数据并进行判断，在输液管中有液体流动时，输液管控制模块不执行动作；在输液管中无液体流动时，微处理器发出阻断输液管的指令，输液管控制模块的电机正转，带动偏心轮转动，卡紧输液管，输液管中残余液体不再流动。另外，微处理器通过网络模块把输液管中液体流动状态数据和控制指令发送的状态数据传输到物联网平台，运行在智能终端的输液监控系统APP从物联网平台获取输液管中液体流动状态数据。当输液管中无液体流动时，通过设置的报警方式进行报警。

3.1 系统的前置过程

所谓前置过程，就是使输液监控系统正常工作的准备工作。主要包括以下4个方面：

（1）对网络模块进行设置，能够接收微处理器的数据，并发送数据到物联网平台。

（2）配置物联网平台，能够存储数据，并能够对外提供数据写入和查询接口。

（3）编写输液监控系统APP程序，并在智能终端运行。

（4）使用直流电源给微处理器、输液管监测模块、输液管控制模块、网络模块供电，保证各模块正常工作。

3.2 数据的采集和控制

数据的采集和控制，即输液监控系统实时采集输液管监测数据，微处理器对监测数据进行处理，得到输液管中液体流动状态数据，并以此作为驱动输液管控制模块动作的依据。

（1）数据采集：输液管监测模块实时监测输液管中液体流动情况，输出监测数据，即电信号。

（2）数据处理：微处理器定时读取输液管监测模块输出的电信号，并进行逻辑运算和处理，得到输液管中液体流动状态数据。

（3）输液管控制：微处理器对输液管中液体流动状态数据进行判断，当输液管中无液体流动时，发出阻断输液管的指令，输液管控制模块做出阻断输液的动作。

（4）数据传送：将输液管中液体流动状态数据和控制指令发送的状态数据，通过网络模块，传输到物联网平台。

（5）数据存储：物联网平台收到输液管液体流动数据后存储到数据库。

3.3 输液监控系统APP流程

在智能终端运行输液监控系统APP，其工作过程描述如下：

（1）开始输液作业，关联输液管监测模块和输液患者的信息。

（2）定时从物联网平台获取输液管中液体流动状态数据。

（3）当输液管中无液体流动时执行步骤4，否则执行步骤2。

（4）使用设置的报警方式进行报警。

（5）输液作业结束，保存历史数据，清除输液作业数据。

输液监控系统APP的具体工作流程如图2所示。

图2 输液监控系统工作流程

4 系统实现

本文在实验室环境实现了输液监控系统的构建，采用的是Arduino开源电子原型平台。

Arduino支持很多种处理器芯片的开发，内部有大量的类库，软件和硬件开发方式类似于搭积木的方式，开发和应用比较简单、方便、快捷。

输液管监测模块选用非接触式电容传感器，利用极板之间的电介质变化导致电容变化来监测输液管中液体流动情况。当电容介质中的药液由空气取代且电容值发生变化时，说明输液即将完成。

输液管控制模块中的直流电机选用L9110驱动，电机与输出端连接。另外，其他辅助器件还包括偏心轮和挡板，偏心轮由电机带动。开始输液时，输液管放在挡板和偏心轮中间；输液即将结束时，电机转动，带动偏心轮，偏心轮和挡板之间距离变小，从而卡紧输液管。

微处理器使用单片机，选择Arduino UNO R3开发板，该开发板采用AVR单片机ATMEGA328P作为主控制器。

网络模块使用ESP8266，ESP8266是专门应用于移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计的WiFi模块，通过AT指令配置与单片机上的串口进行通信，利用WiFi传输数据。ESP8266体积小、功耗低、价格便宜。

智能终端使用安卓智能手机，输液监控系统APP自行开发，具有的功能包括输液作业开始、输液作业查询、输液过程监控、设置报警方式等。

为了方便开发，物联网平台使用某免费的物联网平台。

另外，电源模块使用9 V直流电源给单片机供电，由单片机的输出电压引脚给输液管监测模块、输液管控制模块、网络模块供电，智能手机则由自带电池供电。

按照前文的系统构成进行搭建，把输液管监测模块、输液管控制模块、单片机Arduino UNO R3、ESP8266芯片依次连接，在单片机Arduino UNO R3中进行编程，处理来自输液管监测模块采集的监测数据，得到输液管中液体流动状态数据；当输液管中无液体流动时，对输液管控制模块发出阻断输液管的指令；对ESP8266芯片进行设置，利用本地WiFi资源，连接到互联网，输液管中液体流动数据通过ESP8266芯片发送到物联网平台并进行存储。

运行输液监控系统APP，连接物联网平台，并进行报警设置。定时从物联网平台获取输液管中液体流动状态数据，当发现有患者输液即将完成时进行声、光或者振动等形式的报警。

输液监控系统运行示意图如图3所示，输液管监测模块、输液管控制模块、微处理器、网络模块和电源集成为一个组合模块，输液时安装在滴壶和输液瓶之间的输液管部分，通过WiFi连接物联网平台，智能终端由医护人员携带。

图3 输液监控系统运行示意图

5 结 语

基于物联网的无人守护输液监控系统，其输液管监测模块负责采集输液管监测数据，微处理器负责对监测数据进行处理。当输液即将完成时，输液管监测部位的介质由液体变为空气，微处理器给输液管控制模块发出阻断输液指令，输液管控制模块阻止输液继续进行；同时微处理器把输液管中液体流动状态数据和控制指令发送状态数据通过网络模块传输到物联网平台进行存储；运行在智能终端的输液监控系统APP定时从物联网平台获取各患者输液数据，医护人员可以随时观察到每个病人的输液情况；当有患者输液即将完成时，发出报警，通知医护人员进行处理。

基于物联网的无人守护输液监控系统，减轻了输液过程中的人力负担，避免了因处理不及时带来的安全隐患，提高了医护质量，推动了医疗事业自动化的发展，在我国患者多、医护人员少的情况下具有极大的推广意义。