基于可穿戴设备的无线组网输液监控系统

王 健， 王仲宇， 朱文凯， 孙洁茹， 潘瑞娟， 陈晓宁

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

静脉注射药物治疗在所有的医学治疗方案中大约占70 %～80 %[1]。如果输液管中有空气进入人体的血管，严重会形成空气栓赛威胁患者生命安全[2]。目前医疗机构在监控输液情况时普遍采用人工方式，难以适应如今的医疗水平发展。文献[3]提出了基于非接触式传感器设计的一种无人陪护输液报警装置，通过声光进行报警提醒患者或医护人员进行处理。但患者往往处于意识薄弱状态、医护人员间断性巡查，仍然会导致报警信息不能得到及时的处理。文献[4]提出了基于无线蓝牙的静脉输液监控器的设计，该系统通过蓝牙的方式实现数据的传输，但蓝牙通信距离近、不稳定，不适用于医院环境。文献[5]设计的一种智能输液监控系统采用市电进行供电，不能满足便携式设计的要求。以上研究表明输液报警系统仍然存在信息处理不及时、数据传输不稳定、功耗大等缺点。

本文鉴于以上问题设计并实现了一种输液监控系统，结合WiFi无线组网技术将采集的数据发送给上位机数据软件进行存储、显示，将需要处理的信息发送给护士的可穿戴设备由护士及时进行处理。

1 系统总体设计

输液监控系统主要由传感器采集模块、中继数据传输模块、上位机数据管理软件、可穿戴设备组成。中继数据传输模块将传感器采集模块采集的数据打包，再通过WiFi将数据发送至上位机。当输液出现异常或输液完成，上位机根据WiFi信号的强弱计算出距离，并将待处理信息发送给就近护士的可穿戴设备，通知护士及时进行处理。护士会将反馈信息发给上位机实现闭环管理，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

2.1 传感器采集模块设计

传感器采集模块主要由主控STM32F103C8T6单片机、射频电容式传感器、ESP8266、供电模块构成。传感器采集模块将病人的状态分成三种，分别是离线(无人输液)、正在输液以及报警。

本文采用射频电容技术，通过检测振荡电压电路来分辨输液管中的液体与气泡[6]。检测电路所用芯片为TTP223—BA6感应芯片，根据实际测试条件调节电极面积和连线电容，可以准确地检测输液情况。

采集模块上有ESP8266通信芯片，ESP8266芯片体积小，方便嵌入到任何设备内[7]。而且ESP8266能够STA与AP模式共存，实现N个模块间组网[8]。

2.2 中继数据传输模块设计

中继作为每个病房的连接终端，配有一个ESP8266芯片和CH9121DS1芯片。ESP8266芯片用于接收来自输液检测模块的状态信息，CH9121DS1芯片用于将状态信息发送至护士站的上位数据分析管理系统。

1)中继采用7.5 V锂电池进行供电，由三端可调正稳压器LM117将7.5 V转换为5 V，再由低压差线性稳压器AMS117将5 V转换成3.3 V为单片机供电。

2)系统采用树状组网的拓扑结构。为满足系统需求，中继数据传输模块与传感器采集节点采用一对多的通信方式。网络结构如图2所示。

图2 网络结构

2.3 护士可穿戴设备模块设计

可穿戴设备是通信、触摸、显示一体化系统，可穿戴设备在保证能够进行正常的信息交互外，还需要满足小巧精密、便于携带等设计要求。

1)根据设计需求可穿戴设备配有一片ESP8266芯片与Web网页进行通信。TFT液晶屏幕显示相关信息、采用电容式触摸按键代替传统的机械式按键。硬件电路设计中，选择了无电感的PS3120A升压电路。此电路的抗干扰强，同时无电感的设计减小了可穿戴设备的体积，便于携带。

2)可穿戴设备根据与前端采集模块之间的WiFi信号强度计算出二者之间的距离。并将信号强度发送给Web网页。计算公式如式(1)所示

(1)

式中RSSI为信号强度，n为环境衰减因子取值4，A为发射端与接收端相隔1 m时的信号强度。

3 系统软件设计

3.1 前端采集软件设计

前端采集软件设计首先完成模块的初始化，再与中继数据传输模块建立连接，随后传感器会不间断地检测输液信号。当检测到输液管中无液体或者存在气泡时蜂鸣器报警，并将包含设备编号、报警信号等信息的数据包通过WiFi模块发送给中继数据传输模块，前端采集流程如图3(a)所示。

3.2 中继数据传输软件设计

中继数据传输模块在完成模块的初始化后，将用于接收前端采集数据的WiFi模块设置为AP模式；将用于发送数据给数据库的WiFi模块设置为Station模式，与数据库建立连接。当接收到报警信号时将数据打包发送给数据库，中继数据传输流程如图3(b)所示。

3.3 可穿戴设备软件设计

护士穿戴设备将接收到的病人状态信息显示在液晶屏幕上，可通过按键进行页面切换，信息确认和发送信息，能够及时处理和发送确认信息给Web网页；若不能发送处理信息给Web网页，随即Web网页将报警信息发送给其他护士可穿戴设备。护士设备的每次通信操作均会被数据分析管理系统所记录，可穿戴设备流程如图3(c)所示。

3.4 上位机信息管理系统

为了避免前端直接与数据库交互带来的安全性问题[9]。护士病人信息管理系统基于 SSM与Vue框架进行前后端分离开发[10]。前端Web网页主要负责与医护人员交互，后端主要负责与数据库的数据交互并将数据提交给前端。整个系统选择具有可靠性传输、流量控制、拥塞控制的TCP协议完成各个模块的通信[11]。Web网页能够实现数据通信、显示、存储以及闭环的异常处理机制。以IntelliJIDEA作为系统开发环境[12]。

3.4.1 后端应用设计

后端开发选择当下主流具备体积小、效率高、简单易用等特点的Mysql数据库存储数据[13]。基于SSM框架，使用Java语言进行后端开发[14]。程序首先建立ServerSocket对象,并监听数据通信端口号。然后,DataInputStream按字节读取输入流中的数据，根据通信协议解析数据、存入数据库中。

3.4.2 前端Web网页设计

前端网页设计通过Vue框架结合Element UI组件导入需要的布局容器，简化网页的开发,提高效率。医护人员通过网页向后端发送Http请求，后端根据请求访问数据库执行增、删、改、查等操作，将结果集返回给前端网页进行显示。使用Redis缓存中间件增加数据缓存层，若数据在缓存中存在，直接将数据返回，不再访问数据库，数据交互流程如图3(d)所示。

图3 程序流程图

为保护患者和医护人员隐私，护士和管理员通过各自的账号与密码登录。值班护士需要在系统上登记可穿戴设备号与自己的个人信息，系统分别可以显示病人信息管理、可穿戴设备管理、护士管理等信息。护士病人管理系统Web网页如图4所示。

图4 护士病人管理系统

4 试验结果与分析

根据系统需求分析设计了输液监测设备和信息管理系统，为了验证系统的稳定性与可行性，将设备安装后进行实际测试。设备布局如下：9个前端采集设备安装在不同位置，分别对不同容量的输液瓶进行检测，一个中继数据传输设备用于接收前端数据，9个护士佩戴可穿戴设备进行信息交互测试。系统设备如图5所示。

图5 系统设备

1)输液信号采集测试：对前端采集设备输液信号检测的准确率进行测试。测试结果如表1所示。

表1 输液实测状态与实际状态对比分析

2)可穿戴设备与前端采集设备间距离测试：9个护士分别佩戴可穿戴设备间歇性移动，用卷尺测量与采集设备之间的实际距离，并与系统计算的实测距离进行对比分析。测试结果如表2所示。

表2 实测距离与实例距离对比

通过系统测试过程与结果分析，前端采集设备能够准确地采集到输液管中液体信息，并将报警信息准确传送给Web网页。Web网页能够准确计算出离报警设备最近的可穿戴设备编号，对于实际距离的计算偏差控制在1 m以内，误差不超过±1 %，表明系统具有可行性，达到设计要求。

5 结束语

本文以STM32F103C8T6微处理器为核心，结合传感器、WiFi无线通信以及上位机数据管理开发设计了一种基于WiFi的远程输液报警系统。实现了对输液大厅或者病房内患者输液状态的实时监测。设计的上位机数据管理系统能够将待处理信息发送给就近护士。经测试，该系统能够减轻医护人员的工作压力、降低人工成本、提高了患者输液的安全性，具有应用推广价值。