浅析RFID 技术下智能输液监测管理系统设计

赵丽萍

（长治医学院，山西 长治 046000）

静脉输液是十分常见的医疗治疗方式，当输液瓶中液体流进后，需要由医护人员进行更换或拔出，整个过程对于人力的需求量较大，尤其在疾病高发期，因此，智能化技术的应用十分有必要。针对RFID 技术下智能输液监测管理系统的设计，主要依赖该技术非接触、自动识别的特点，能够与传感器相互配合，实时监测药物输入情况。

1 智能输液监测管理系统的设计需求

针对智能输液监测管理系统设计需求方面，技术需要攻破的内容包括输液基本信息监测、上下位机间实时通信以及异常状态及时报警这3 项设计。

1.1 输液基本信息监测

智能输液监测管理系统设计中，需要对输液基本进行展开监测。第一，对于液速方面应用红外线传感器技术，其原理在于，液体在滴落的过程中会发出红外线阻挡发射管，此时接收器部分无法通过接收器，红外传感器会发送低电压电平脉冲，脉冲数与液体的滴落数一致。因此，只需检测脉冲数量即可知道液体的滴落情况，再根据计算获取速度信息。第二，对于液体是否流尽情况进行检测。在进行设计时，需要依照“RSSI 信号值在有介质条件下减弱”这一现象，将两张RFID 标签分别贴在玻璃袋子的上方和下方，其中上方作为对照组，下方作为测试组，当装入液体后发现，上下两个RSSI 信号值存在明显差异，当液体流尽后下方RSID 标签又重新恢复信号值，可由此来实现对液体流尽情况的检测。第三，对液体剩余量进行检测，针对这一部分，依照先前“标签RFID 信号值受到液体表面下降程度的影响，信号值明显衰减”这一现象。可以通过读写器检测标签判断信号值变化，再进行数据分析对比。在实验过程中，通过转动输液器的调节按钮，通过对液体下降过程中标签信号变化判断RSSI信号值断电，从而判断输液袋的剩余容量。

1.2 上下位机间的实时通信

针对上下位机间的实时通信，主要依靠RFID 读写器，完成对标签信息的读取。其中应用RFID 标签实现远程激活或通电，经过读写器群问候发送标签信息。为了保证系统能够顺利询问标签，可以采用两种方式，其一是电感耦合，其原理在于利用法拉第电磁感应定律，当RFID 读写器感受到标签中线圈交流段或交流电源时，会产生磁场，此时读取先去安徽感应到类似磁场，根据标签与RFID 读写器之间的距离远近感受感应电压的强弱。其二是电磁反向散射耦合，相较电感耦合，电磁反向散射耦合能够刺激标签激活自身能量，并通过天线发送无线电波信号，再利用RFID 读写器进行信号解析，并产生频率、相位等信号。在以往的实验中，发现部分读写器存在“漏度”情况，标签并未被成功识别，影响系统整体的运行质量。造成标签检测不到问题的主要原因在于读写器信道冲突，当标签碰撞，读写器无法进行精准的识别检测，影响识别效率。针对此类情况，需要设计防碰撞设计，可应用空分多址法、时分多址法、频分多址法以及码分多址法解决。

1.3 异常状态下的及时报警

为保证整个输液过程的顺畅性，在设计智能输液监控管理系统时，还应当引入报警机制，及时发现相关运行操作问题。报警系统在信息反馈界面的设计，本次研究选择分辨率较高的电阻式钢化玻璃触摸屏，具有抗干扰能力强、能耗小的优点。对于报警系统，主要包括单片机、近红外光传感器、液晶显示屏、手机和电脑接收端、蜂鸣器等。其中核心部分在于近红外光传感器，能够实时监测输液袋中流速情况、液位高度等信息。在输液前，将近红外光传感器附着在输液瓶表面，一旦低于预设液面高度，会发出电平信号，根据传感器所接收信息的变化实现预警控制，利用光导纤维滤出有效信号传输。当进行输液时，报警器会呈现三种警示信息，包括绿色安全状态、黄色预警状态以及红色紧急状态，通过数字化形式，以便医护人员明确轻重缓急。

2 智能输液监测管理系统设计与实现

2.1 硬件设计

（1）电子标签读写器。针对电子标签读写器方面，研究选择英频杰R2000 系列R84L 型号，在智能输液监测管理系统中的应用能够保证外部界面的丰富性，满足大部分用户使用。该型号读写器优势在于结合了工业计算机和超高频读写器，在R84L 树莓派核心板中，研究人员设计了开放的开发环境，其中的Linux 系统支持二次开发，可供多人使用。对于该系统的硬件部分设置多个外接接口，支持扩展多套天线，改变以往多设备搭建的无序性和复杂性，有效提升信息获取精度和阅读率，保证操作的便捷性、快速性。

（2）射频天线。针对射频天线方面，本次研究选择920 ～950Mhz 频率的Laird S9028PLR 天线，其特点为圆极化，最大功率为8dBm。该型号射频天线的优势在于使用量ABS 级外罩材料，能够做到防水、防灰尘，性价比很高，符合超高频RFID 技术下智能输液监测系统的运营环境需求。

（3）RFID 射频标签。针对RFID 射频标签的选择，分为两个部分，其一是输液袋上的标签，相关学者经过射频标签质量比选后最终选择Alien ALN-9640 型号，长宽为98.18mm×12.31mm，频段在860 ～960Mhz，其特点在于超高频、电子无源，包含64 位标签号，用户存储区512 位，能够实现读写保护。其二是输液器滴管位置上的标签，相关学者经过射频标签质量比选后，最终选择Alien ALN-3010 标签，长宽为33mm×13mm，频段在860 ～960Mhz，其特点在于使用U8 芯片，用户存储区为128 位。

（4）无线路由器。针对路由器部分，本次研究选择HC5661A 的Gee 极路由1s，能够实现无线传输，其速率能够达到300Mbps，在系统中，该路由器能够作为PC端与读写器的过渡位置，连接二者，确保数据通信稳定。该路由器的选择具有低成本、高效率的优势，且操作简单，只需要在PC 端直接搜索信号即可，连接后PC 端会直接收到读写器数据，保证通信稳定。

2.2 软件设计

（1）液面监测程序。针对RFID 技术下智能输液监测管理系统的设计需要液面进行监测，针对液面的监测重点在于检测液体剩余量情况。首先，需明确液体流尽检测处理，在此基础上进行拓展，其原理为：系统供电→初始化后读写器发射电磁波→RFID 标签通过电磁波反向散射耦合→标签信息通过天线辐射无线电磁波完成向读写器传输的过程→读写器收到信息后传递至PC 端→PC 端解析信号→读写器对比测试标签和对照标签。在以上流程的基础上，针对液体剩余量的监测流程未与之一致。当cnt 赋值为0 时，首先，需要判断对应的测试标签RSSI 信号值是否与cnt 赋值一致，即“=0”。在运行程序中，若某一时刻RSSI 值为0，则表示现实中的液面已经在标签下缘的位置，此时剩余量为90%。此时继续判断其他表现，界面显示的剩余项依次为70%、50%、30%。直至判断测试是指标签与对照标签RSSI 差值大于0，则此时的cnt 加“1”当cnt 赋值达到“3”以上时，则会立即启动submail 上的短信API 函数，此时会直接发送短信至手机端，弹出输液完成提醒并发出告警。

（2）流速监测程序。针对智能输液监测管理系统软件设计中，需要思考对液体流速的实时检测办法，根据系统的运行需求及运行原理来看，对液体的流速检测主要依靠液滴震荡对标签相位值的影响特征。详细流程为：系统上电并进行初始化→读写器发射电磁波→RFID标签通过电磁波反向散射耦合→标签信息通过天线辐射无线电磁波完成向读写器传输的过程→读写器收到信息后传递至PC 端→PC 端解析信号。完成以上步骤后，调用时间函数获取当前时间，并判断当前时间中RFID 标签相位值域上一时刻标签中的相位值之间的差异，若差异在“1”以下，则继续重复判断流程，若大于“1”，则会在页面中显示一分钟液体流速。由于液体对RFID标签相位值产生直接影响，因此会出现相位值衰减情况在1rad 以上。根据RFID 标签位置变化情况总结规律，并对后续的液体流速进行预判，将结果展示在信息页面中。整个测速过程属于循环测量，若判断已无液体则会停止测量，而后会传递信号值报警装置中，根据实际情况进行报警。

（3）人机交互界面。针对智能输液监测管理系统的人机交互页面设计，研究主要应用Java 三大框架SSM，其工作原理为：在浏览器输入URL 网址→发出请求→Controller 收到请求→再放置Spring 框架→根据业务逻辑开始操作，建立IOC 和DI 与MyBatis 框架之间的联系，并在前端页面中展示数据信息。在整个运行过程中，电子标签读写器经过对RFID 标签进行解读后，其所获取的数据信息能够实现直接存储，至DB 数据库中。在前端人力交互界面中，应用CSS、Java 以及HTML技术完成对框架的编写，并利用Vue 框架确保数据与页面之间的连接性，避免造成数据不精准或页面获取信息不及时。为方面相关人员及时获取信息，且保证操作流程的便捷性，在页面设计部分，包括登录查询和输液状态两个部分。前者的设计运用Spring Security 框架，能够更好地保证隐私，只能通过账号和密码的形式登录，避免信息被盗用。

3 智能输液监测管理系统实验测试与分析

3.1 测试环境

本次研究依照先前的设计标准对智能输液监测管理系统的应用进行实验检测，首先搭建实验室场景，并保证软件、硬件设计合理，其中读写器天线与输液袋表面正对，标签背对天线，保证实时读取信息。利用交叉网线完成路由器与读写器的连接，再用电脑搜索无线信号，保证读写器、电脑连接稳定。完成以上连接工序后，对模块进行供电。登录系统并输入正确的username 和password，完成登录后即可查验报警系统液面。该页面中显示的内容包括：（1）患者输液状态信息；（2）输入病人床位号后展示个人信息；（3）实时展示当前输液剩余量百分比和流速；（4）展示患者输液药品类型。当液体到达最低限值后，在后台和医护人员的手机终端均会展示患者的房号、床号信息，保证快速锁定位置。

3.2 测试结果

本次研究模拟实验室场景，并进行多次测试，在不同时间内分别进行20、40、60、80、100 次试验，重点※统计分析了智能输液监测管理系统的液体流速、报警系统、液体剩余量监测质量。最终结果显示，随着实验次数的增加，相关检测信息的准确率虽然有所下降，但均保持在90%以上，总体来看，系统精度比较稳定。

3.3 应用效益

为了进一步检测智能输液监测管理系统的应用准确性，本次研究还设计了不同的场景，包括学校医务室、宿舍、室外场地等，均进行100 次实验，最终结果显示，宿舍场景、医务室场景外界干扰少，与实验室场景所测得的结果详细，但室外场景的干扰因素相对较多，对系统测试结果产生一定影响，准确率也下降至90%以下。由此可见，该智能输液监测管理系统可以在医务室、宿舍等相对安静、干扰因素少的场景中推广。

4 结语

RFID 技术在智能输液监测管理系统中的应用，可以利用液体介质与RFID 标签信号之间的关系完成对液体剩余量的监测，并增加自动报警技术，解决人工投入量大的问题。本次针对RFID 技术的应用建立智能输液监测管理系统，并引入SSM 框架设计交互界面，保证对各项参数进行聚合。经过实验后，该系统中液体流尽自动预警准确率能够达到90%以上，液体剩余量和速度检测准确率能够达到85%以上。