基于IoT的智能输液系统的设计与实现

摘要：该系统在物联网环境下将Zigbee技术与输液器合二为一，实现了智能输液服务。系统利用特殊的传感器检测液体流动进度，当输液管中液体液面流经传感器时，传感器可以输出低电平信号至终端CC2530芯片，终端CC2530芯片再通知智能机械控流开关夹住输液管，阻止液体流动，同时向协调器CC2530芯片发送房间号信息，通知护士为对应房间换液。

关键词：物联网;Zigbee;智能输液

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0131-02

据统计，全国每年人均输液8瓶，在如此庞大的输液数量下，需要消耗大量的人力去监测输液的进度。由于患者人数较多，医护人数相对缺乏，造成患者在输液结束后，却未获及时处理，导致病人血液倒流的情况屡见不鲜。为避免这一安全隐患，减少护士和陪护者的负担，迫切需要一套智能輸液监测提示系统。

目前医院大多数对输液状态的监控是通过人眼观察，也有部分医护人员采用现有的输液监测器材。现有的输液监测器材大多仅能在输液结束后发出警报，不能将报警信息实时传送给医护人员。本次设计通过输液监测系统不仅可以计算、显示药液流速，在液体输完后发出警报，还能将报警信息发送给医护人员，对减轻医护人员工作量有极大帮助。

近年，ZigBee技术因其特有的应用特性受到了人们的青睐。该技术作为一种传感器网络支撑技术，非常适合传输的数据量小，需要实时传输的场合。本次所设计的系统应用场合恰好需要一款这样的产品作为信号传输的中介，因此，将ZigBee技术应用到该领域是非常有必要的。

1 系统设计

生活中最常见的治疗方法非输液治疗莫属。在大部分的医院中，输液治疗都是采用一种叫病房呼叫系统的设备进行管理运行。病床呼叫系统由安装在病区护士站的呼叫主机和分别设置在病房床头的呼叫分机、走廊显示屏组成，一旦病房床头有人按呼叫按钮，护士站的主机就发出声光报警信号，同时，走廊显示屏同步显示呼叫房间号，护士人员便可以赶往病房处理紧急情况。

这种系统在技术上仍然采用最传统的数字电路以及有线电话通信，它需要人的参与，这种非自动化控制大大降低了医院工作的效率，不仅如此，这样一种工作系统下也存在一些安全隐患。所以现今医院输液治疗的工作系统急需改善。

首先，最常见的问题是住院病人经常会忘记关注输液进度使输液管中的液体流尽，这时由于人体内的压强大于输液管中的压强，会导致血液倒吸。根据调查，在这种血液倒吸的情况下，处理的情况有两种：若管内的血液凝固，则必须要换新的输液管，输下一瓶液体，那么病人又要受一次扎针之苦;若管内的血液没有凝固，那么需要将针头与输液管的连接处断开，用下一瓶液体将管内空气排空，再与针头连接将管内的液体再输回人体内。据调查，经验丰富的护士处理该状况需要1分钟～2分钟，实习护士则更慢。由此可见，处理血液倒吸的方法是比较复杂的。

其次，输液治疗中有一种为肿瘤病人设计的特殊输液管，即经外周静脉穿刺中心静脉置管 （PICC），采用了一种新型的途径行中心静脉置管术，为肿瘤病人建立良好的静脉通路 ，由外周导入中心静脉，可保护患者上肢血管网，减少反复穿刺给病人带来的痛苦，减轻化疗药物对周围血管的破坏。由于这种管的直径很小，为了防止药物沉淀导致的PICC管堵塞，给病人身体带来负担，需在输液后给予5分钟左右的0.9%生理盐水冲洗PICC管的临床护理操作。在这种情况下，不需要液体瓶中的液体输完，但是病人同样有可能忘记关注时间，使体内注入过多的生理盐水，给病人的肾脏造成极大负担。

最后，病人在按下床头按钮提醒护士换药的时候，通常伴随着较大声的提醒音，这与医院里要保持安静的规定显得格格不入，一定程度上影响了病人的休息。对于一些病情严重的病人，有时甚至需要一天24小时输液，在这种情况下提醒音将会较大程度上影响着病人休息，其他的病人也会受到同样的影响。

综上，现在医院中的输液治疗工作系统需要克服的问题仍然比较多，如果可以得到有效的解决，将能在一定程度上改善现在的医患关系、医院工作效率、资源分配、医务工作者急缺等问题。

本系统与传统的病床呼叫系统所采用的有线通信不同，本系统采用低功耗、高靠性的Zigbee无线通信技术。信息传输速率快、效率高可以使医院的输液治疗运行系统高效而可靠地运行。

市面上输液器的控流开关通常为一个手动的滚轮夹，当滚轮滚至最底端时，液体停止流动。本设计的智能输液医疗系统则具有一个智能控流机械开关，由液体进度检测器通知它执行相应动作，以达到停止液体流动的目的，这样病人可以完全不用注意液体的进度，安心休息。

医院住院部通常几乎全天24小时内都充斥着输液报警的声音，这种情况必然会在一定程度上影响病人的休息。本系统设计的智能输液医疗系统全程静音，在没有报警的情况下，通过无线通信的方式通知护士换药，为病人营造了良好的休息环境。

本系统利用VB程序设计语言设计了一款为该智能输液医疗系统的专用的电脑软件。通过串口通信技术，主要用于在带电脑上显示需要换液的房间、房间数以及优先换液房间。房间显示功能主要是为了通知护士对需要换液的房间进行换液。我们所设计的智能输液医疗系统通过电脑软件实现这一功能，可以实现显示需要换液的房间号、房间数、优先换液房间号等功能。

2 系统实现

2.1 系统硬件的实现

本物联网环境下的智能输液系统主要由输液器、控制芯片（终端芯片和协调器芯片）、液体进度检测器、智能控流机械开关、显示模块、电源这5个部分构成，如图1所示。

CC2530（无线片上系统单片机）是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。CC2530芯片结合了领先的2.4GHz的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051单片机、系统内可编程闪存、8KB RAM和许多其他强大的功能。

CC2530内置优良性能的2.4GHzRF（Radio frequency 射频）收发器，可以实现本设计系统中所需的无线通信功能。业界标准的增强型8051单片机可作为整个系统的控制器，控制液体进度检测器和智能控流机械开关。

综上，本设计系统选用了两块CC2530开发板作为整个系统的主控芯片。一块作为接收液体进度检测器的信号、控制智能控流机械开关、发送需要换液的房间信息的终端芯片;一块作为接收换液房间信息的协调器芯片。

本系统采用市面上已存在的输液提醒器中的传感器芯片作为液体进度检测器，该传感器芯片可以感测出是否有物体经过传感器，当物体从有到无的时候，传感器有所反应。所以当输液管中的液体从有到无的时候，传感器可发送信号至CC2350，CC2530紧接着发送信号到智能控流机械开关，使之夹住输液管。

仿照输液器本身带有的滚轮开关夹住输液管的原理，利用舵机的转动带动有转轮的指针转动以达到同样可以夹住输液管的目的。因为整个智能控制机械开关具有创新性，所以必须通过在电脑中画出所构思的结构，采用3D打印机制作出成品。

CC2530的功耗很低，宽电源电压范围为（2～3.6V），由3节1.5v的7号电池（共4.5V）串联后给底板供电，后由ASM1117-3.3稳压芯片转压为3.3v给CC2530核心板供电。

OLED显示屏具有主动发光、视角范围大、亮度高、色彩丰富、分辨率高等优点，最主要的是它还具有驱动电压低、能耗低的优点，符合本设计系统低电压供电的特点。在本设计系统中，分别在终端和协调器处用到了两个OLED显示屏，用于显示需要换液的房间等信息。

2.2 系统软件的实现

当系统开机的时候，房间号初始化设置为0000。设置房间号时可以通过终端控制器面板上的S1、S2按键进行设置。以4次按下S1键为周期，依次分别对房间号进行+1、+100、-1、-100操作，即可方便地设置出任意4位数的房间号，最后再将S2键按下确定房间号。

在房间设置确定的同时，液体进度检测器开始检测液体进度，当液体流过检测器的时候，检测器输出低电平信号至终端CC2530芯片，进而控制舵机转动开关盒中的转动夹体至可以卡死输液管的角度，然后舵机断电，夹住输液管阻止液体流动。当护士换液的时候，按下S1，舵机转回初始角度松开输液管。直接进入定时5分钟盐水冲洗的环节，在该环节下，终端芯片定时到达5分钟时，同样可以使舵机转动夹住输液管。如若不需要冲洗环节，则可通过按下S2键跳过环节，进行下一次的液体进度检测。

系统利用终端CC2530芯片和协调器CC2530芯片的RF射频模块进行互相通信，当液体流过检测器检测时，终端CC2530芯片将房间信息发送至协调器CC2530芯片，并在协调器控制面板上的OLED屏上显示出来，再通过串口将数据传输并显示在房间号提醒软件上，便于护士工作。

首先，软件开启时，会自动扫描一次可用串口。协调器未接入时，可用串口栏显示为无串口可用，并且“打开串口”按钮为不可用状态。然后，插入协调器，点击重新检测键，将会显示出协调器对应的串口数，并且“打开串口”按钮变为可用状态。单击“打开串口”，则开始接收协调器发送过来的数据。当有房间输液完成时，则会在对应位置显示房间，并且输液完成的房间数量相应增加。单击“删除当前”可删除当前房间号，代表护士已处理该房间，同时会给协调器发送指令，同步删除对应的房间号。如果接收到多个房间号，依旧会显示最先接收到的房间号，只有在护士按下“删除当前”后，才会按时间顺序显示后续的房间号。

3 结语

在物联网的大背景下，医疗系统的物联网化和智能化也是必然趋势。此物联网环境下的智能医疗系统非常符合市场的需求，该系统包含的自动检测液体进度、自动控流、特殊情况下的定时冲洗输液管、无线通信、静音等功能，使输液治疗的病人可以完全不用顾虑正在输入的液体何时流尽，在安静的休息中获得护士的换液，完成输液疗程。在整个输液治療的过程中，实现了所有流程的自动化智能化，提高了医院工作的运转效率，缓解了医务工作者工作量大、医患关系紧张等问题。

参考文献：

[1] 李敏.基于物联网的监控系统研究与应用[D].荆州：长江大学，2016.

[2] 包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（6）：255-256.

[3] 包子建.基于IoT的道路照明系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2019，15（10）：213-214.

[4] 包子建.基于IoT的智能车系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2020，16（8）：179-180.

收稿日期：2021-05-26

.作者简介：包子建（1975—），男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要从事物联网和信息服务方面的教学和研究。