在醫(yī)療系統(tǒng)中,，病人在輸液過程中的監(jiān)控問題,，一直是護(hù)士和病人關(guān)心的問題，一但監(jiān)控失誤就會使空氣進(jìn)入人體的血液系統(tǒng),，造成嚴(yán)重的后果,，甚至?xí)够颊咚劳觥，F(xiàn)有的控制系統(tǒng),，多采用有線技術(shù)進(jìn)行檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建,。這類方案的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差,、布線繁瑣,、移動性能差。由于采用硬線連接,，線路容易老化或遭到腐蝕,、磨損，故障發(fā)生率較高,。采用無線傳輸方式構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題,。相對而言，無線的方式比較靈活,，避免了重新布線的麻煩,，網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要隱藏在墻里，無線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動或變化的需要,；但是,，無線通信技術(shù)在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。這主要是因?yàn)槟壳皼]有一項(xiàng)無線通信技術(shù)適合在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行廣泛地推廣,，而且現(xiàn)有的無線通信產(chǎn)品的價格偏高,，導(dǎo)致無線通信技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用停滯不前。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題,。將無線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動控制相結(jié)合,，可以有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡單,、組網(wǎng)方式靈活,、成本低、等待時間短等性能,，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，它更適合于組建醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 點(diǎn)滴速度與儲液面檢測
采用紅外光電傳感器測量點(diǎn)滴速度,。當(dāng)液滴滴下時，紅外光電傳感器發(fā)射的光透過液滴后強(qiáng)度發(fā)生變化,，光電接收管接收強(qiáng)度變化的光信號后輸出變化的電壓信號,，此電壓信號經(jīng)過放大、整形后被轉(zhuǎn)化為TTL電平信號,，送單片機(jī)計(jì)數(shù)來測量點(diǎn)滴速度,。該傳感器具有體積小、靈敏度高,、線性好等特點(diǎn),，其外圍電路簡單，性能穩(wěn)定可靠,。
采用電容傳感測液位,。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩片金屬薄片作為傳感電容，儲液液面下降,，電容兩極之間的介電常數(shù)減小,，電容值隨之減小，經(jīng)過電容/電壓變換器后輸出電壓上升,。當(dāng)儲液液面降到警戒線時,，轉(zhuǎn)換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號,。C/V變換電路具有優(yōu)良的線性度,，較高的變換靈敏度與抗干擾性能。
1.2 無線傳輸模塊
從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邏輯功能上,，ZigBee設(shè)備可以分為終端設(shè)備（enddevice）,、路由節(jié)點(diǎn)（router）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PANco-ordinator）,；從設(shè)備的功能性上區(qū)分,，可以分為全功能設(shè)備FFD（FullFunctionDevice）和簡約功能設(shè)備RFD（Re-ducedFunctionDevice）［4］。其中，全功能設(shè)備可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,、路由結(jié)點(diǎn)或終端設(shè)備,，而簡約功能設(shè)備只能充當(dāng)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。因此,，從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)上分析,，ZigBee醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；數(shù)據(jù)集中點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn),；無線傳感器是終端節(jié)點(diǎn),，根據(jù)傳感器安置的位置，也可設(shè)為路由節(jié)點(diǎn),。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持65535個節(jié)點(diǎn),，完全可以滿足需要。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理
2.1 數(shù)據(jù)接收端
數(shù)據(jù)接收端使用相同的無線收發(fā)模塊,，并利用RS232異步串口與PC機(jī)通信,。其功能相當(dāng)于一個接入點(diǎn)，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去,，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 數(shù)據(jù)采集端
1）點(diǎn)滴速度測量模塊
該部分采用紅外傳感器測量點(diǎn)滴速度,，所用光電檢測器型號是ST-178紅外發(fā)射接收對管,。光電接收器件內(nèi)部LED的P-I特性為：
P=Ne*Ni*h*v*I/q，
式中：Ne表示外量子效應(yīng),；Ni表示內(nèi)量子效應(yīng),；I為注入電流；q為過流時的電量,。
把紅外發(fā)射和接收管正對著固定在滴斗兩側(cè),，當(dāng)液滴滴下時,，紅外發(fā)射器發(fā)出的光信號透過液滴時接收端光功率發(fā)生變化,，光電接收管將變化的光信號轉(zhuǎn)換為變化的電信號，由于電信號非常微弱,，應(yīng)放大到一定程度且通過積分電路消除干擾,，再經(jīng)比較器整形得到與點(diǎn)滴同頻的方波。經(jīng)STC89LE516AD單片機(jī)對脈沖計(jì)數(shù),，得到點(diǎn)滴速度,。電路原理如圖2所示。
圖2 點(diǎn)滴速度測量檢測模塊原理圖
2）儲液液面檢測模塊
數(shù)據(jù)采集端利用電容式傳感器,，測量吊瓶中的液體存量,，并把采集到的數(shù)據(jù)傳至無線發(fā)送模塊。由無線發(fā)送模塊把信號傳至監(jiān)控中心。原理圖如圖3所示,。
圖3 儲液液面檢測模塊原理圖
電容,、電壓變換電路原理說明如下：
波形輸入的正半周由于被限幅，負(fù)半周時導(dǎo)通,，在輸入波形的正半周,，輸入波形被限幅在0.7V，波形以-E跳變至0.7V.利用電容電壓特性曲線在儲液瓶的瓶身貼兩塊金屬薄片作為傳感電容,，儲液液面下降,，電容兩極間介電常數(shù)減小，電容值隨之減小,，經(jīng)過電容電壓變換器輸出后電壓上升,。當(dāng)儲液液面降到警戒線時，此時測量所得電容值約為43pF,，調(diào)整回差比較器閾值電壓使其低于電容電壓變換器輸出電壓值,，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號，通過STC89LE516AD單片機(jī)檢測傳給無線發(fā)送模塊,。
3）無線傳輸模塊
采用CC2500ZigBee模塊,，CC2500是一款低成本、低功耗,、高性能的無線收發(fā)芯片,。其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段；具有良好的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力,；在休眠模式時僅0.9,？？A的流耗,，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng),；在待機(jī)模式時少于0.6？,？A的流耗,，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CS-MA/CA功能,；電壓為（1.8～3.6）V;在傳輸模式下,，當(dāng)輸出功率為-12dBm時，電流消耗為12mA.CC2500的接收器敏感度為-101dBm（在10kbps時）,；最大輸出功率為0dBm,，數(shù)據(jù)速率可在（1.2～500）kbps之間變化；帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,，以及1個MAC計(jì)時器,、1個常規(guī)的16位計(jì)時器和2個8位計(jì)時器。
系統(tǒng)工作原理：當(dāng)傳感器測試到液體存量信號和點(diǎn)滴速度時，由無線傳輸模塊把信息發(fā)送至監(jiān)控中心,，由監(jiān)控中心對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則（例如：設(shè)定液體存量為多少時報(bào)警，提醒醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)護(hù)措施）,，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動作指標(biāo),，相應(yīng)地發(fā)出報(bào)警。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)提示進(jìn)行操作,。
在醫(yī)療系統(tǒng)中,，病人在輸液過程中的監(jiān)控問題，一直是護(hù)士和病人關(guān)心的問題,，一但監(jiān)控失誤就會使空氣進(jìn)入人體的血液系統(tǒng),，造成嚴(yán)重的后果，甚至?xí)够颊咚劳觥,，F(xiàn)有的控制系統(tǒng),，多采用有線技術(shù)進(jìn)行檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差,、布線繁瑣,、移動性能差。由于采用硬線連接,，線路容易老化或遭到腐蝕,、磨損，故障發(fā)生率較高,。采用無線傳輸方式構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題,。相對而言，無線的方式比較靈活,，避免了重新布線的麻煩,，網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要隱藏在墻里，無線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動或變化的需要,；但是,，無線通信技術(shù)在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。這主要是因?yàn)槟壳皼]有一項(xiàng)無線通信技術(shù)適合在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行廣泛地推廣,，而且現(xiàn)有的無線通信產(chǎn)品的價格偏高,，導(dǎo)致無線通信技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用停滯不前,。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題,。將無線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動控制相結(jié)合，可以有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低,、系統(tǒng)簡單、組網(wǎng)方式靈活、成本低,、等待時間短等性能,，相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
1.1 點(diǎn)滴速度與儲液面檢測
采用紅外光電傳感器測量點(diǎn)滴速度。當(dāng)液滴滴下時,，紅外光電傳感器發(fā)射的光透過液滴后強(qiáng)度發(fā)生變化,，光電接收管接收強(qiáng)度變化的光信號后輸出變化的電壓信號，此電壓信號經(jīng)過放大,、整形后被轉(zhuǎn)化為TTL電平信號,，送單片機(jī)計(jì)數(shù)來測量點(diǎn)滴速度。該傳感器具有體積小,、靈敏度高,、線性好等特點(diǎn)，其外圍電路簡單,，性能穩(wěn)定可靠,。
采用電容傳感測液位。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩片金屬薄片作為傳感電容,，儲液液面下降,，電容兩極之間的介電常數(shù)減小，電容值隨之減小,，經(jīng)過電容/電壓變換器后輸出電壓上升,。當(dāng)儲液液面降到警戒線時，轉(zhuǎn)換電壓高于回差比較器閥值電壓,，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號,。C/V變換電路具有優(yōu)良的線性度，較高的變換靈敏度與抗干擾性能,。
1.2 無線傳輸模塊
從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邏輯功能上,，ZigBee設(shè)備可以分為終端設(shè)備（enddevice）、路由節(jié)點(diǎn)（router）,、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PANco-ordinator）,；從設(shè)備的功能性上區(qū)分，可以分為全功能設(shè)備FFD（FullFunctionDevice）和簡約功能設(shè)備RFD（Re-ducedFunctionDevice）［4］,。其中,，全功能設(shè)備可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由結(jié)點(diǎn)或終端設(shè)備,，而簡約功能設(shè)備只能充當(dāng)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn),。因此,，從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)上分析，ZigBee醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,；數(shù)據(jù)集中點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn),；無線傳感器是終端節(jié)點(diǎn)，根據(jù)傳感器安置的位置,，也可設(shè)為路由節(jié)點(diǎn),。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持65535個節(jié)點(diǎn)，完全可以滿足需要,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理
2.1 數(shù)據(jù)接收端
數(shù)據(jù)接收端使用相同的無線收發(fā)模塊,，并利用RS232異步串口與PC機(jī)通信。其功能相當(dāng)于一個接入點(diǎn),，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去,，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 數(shù)據(jù)采集端
1）點(diǎn)滴速度測量模塊
該部分采用紅外傳感器測量點(diǎn)滴速度,，所用光電檢測器型號是ST-178紅外發(fā)射接收對管。光電接收器件內(nèi)部LED的P-I特性為：
P=Ne*Ni*h*v*I/q,，
式中：Ne表示外量子效應(yīng),；Ni表示內(nèi)量子效應(yīng)；I為注入電流,；q為過流時的電量,。
把紅外發(fā)射和接收管正對著固定在滴斗兩側(cè)，當(dāng)液滴滴下時,，紅外發(fā)射器發(fā)出的光信號透過液滴時接收端光功率發(fā)生變化,，光電接收管將變化的光信號轉(zhuǎn)換為變化的電信號，由于電信號非常微弱,，應(yīng)放大到一定程度且通過積分電路消除干擾,，再經(jīng)比較器整形得到與點(diǎn)滴同頻的方波。經(jīng)STC89LE516AD單片機(jī)對脈沖計(jì)數(shù),，得到點(diǎn)滴速度,。電路原理如圖2所示。
圖2 點(diǎn)滴速度測量檢測模塊原理圖
2）儲液液面檢測模塊
數(shù)據(jù)采集端利用電容式傳感器,，測量吊瓶中的液體存量,，并把采集到的數(shù)據(jù)傳至無線發(fā)送模塊。由無線發(fā)送模塊把信號傳至監(jiān)控中心,。原理圖如圖3所示,。
圖3 儲液液面檢測模塊原理圖
電容、電壓變換電路原理說明如下：
波形輸入的正半周由于被限幅,，負(fù)半周時導(dǎo)通,，在輸入波形的正半周,，輸入波形被限幅在0.7V,，波形以-E跳變至0.7V.利用電容電壓特性曲線在儲液瓶的瓶身貼兩塊金屬薄片作為傳感電容,，儲液液面下降，電容兩極間介電常數(shù)減小,，電容值隨之減小,，經(jīng)過電容電壓變換器輸出后電壓上升。當(dāng)儲液液面降到警戒線時,，此時測量所得電容值約為43pF,，調(diào)整回差比較器閾值電壓使其低于電容電壓變換器輸出電壓值，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號,，通過STC89LE516AD單片機(jī)檢測傳給無線發(fā)送模塊,。
3）無線傳輸模塊
采用CC2500ZigBee模塊，CC2500是一款低成本,、低功耗,、高性能的無線收發(fā)芯片。其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段,；具有良好的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力,；在休眠模式時僅0.9？,？A的流耗,，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時少于0.6,？,？A的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng),；硬件支持CS-MA/CA功能,；電壓為（1.8～3.6）V;在傳輸模式下，當(dāng)輸出功率為-12dBm時,，電流消耗為12mA.CC2500的接收器敏感度為-101dBm（在10kbps時）,；最大輸出功率為0dBm，數(shù)據(jù)速率可在（1.2～500）kbps之間變化,；帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,，以及1個MAC計(jì)時器、1個常規(guī)的16位計(jì)時器和2個8位計(jì)時器,。
系統(tǒng)工作原理：當(dāng)傳感器測試到液體存量信號和點(diǎn)滴速度時,，由無線傳輸模塊把信息發(fā)送至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則（例如：設(shè)定液體存量為多少時報(bào)警,，提醒醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)護(hù)措施）,，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動作指標(biāo)，相應(yīng)地發(fā)出報(bào)警,。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)提示進(jìn)行操作,。
3 軟件流程
系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端程序組成，均包括初始化程序,、發(fā)射程序和接收程序,。初始化程序主要是對單片機(jī)、射頻芯片,、SPI等進(jìn)行處理,；發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過單片機(jī)SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理,。接收端軟件流程如圖4所示,，數(shù)據(jù)采集端軟件流程如圖5所示。
圖4 接收端軟件流程圖
圖5 數(shù)據(jù)采集端軟件流程圖
4 調(diào)試與測試
4.1 調(diào)試
1）硬件調(diào)試
儲液液面檢測電路的調(diào)試,。調(diào)試時,，液滴滴下，液面水位降低,，傳感電容值減小,，當(dāng)液面降到警戒值時，傳感電容數(shù)值經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換后得到對應(yīng)的電壓值,，根據(jù)電壓值調(diào)節(jié)電位器以調(diào)整回差比較器限值,。點(diǎn)滴速度檢測及控制電路的調(diào)試。用秒表人工測量點(diǎn)滴速度,，與預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)滴速度比較,，若誤差在指定的范圍外則用反復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法改變軟件算法所設(shè)參數(shù)來控制液滴的流速。
2）軟件調(diào)試
軟件系統(tǒng)很大,，調(diào)試比較復(fù)雜,。須通過仿真機(jī)來調(diào)試，采取的是自下而上的調(diào)試方法,，即單獨(dú)調(diào)試好每個模塊,，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試，成功后下載到單片機(jī)統(tǒng)調(diào),。
3）軟硬聯(lián)調(diào)
軟件和硬件之間的聯(lián)系緊密,，硬件測量完畢后，將數(shù)據(jù)送單片機(jī)分析,、計(jì)算,、控制。
4.2 指標(biāo)測試
1）點(diǎn)滴速度測試
通過主機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)定滴數(shù),，用兩個秒表定時,，一個秒表用于測定每分鐘滴數(shù),，另一個秒表用于測定系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定滴速并穩(wěn)定的時間，見表1.
2）通信系統(tǒng)測試
采用主機(jī)與終端的多級半雙工通信,，完成主機(jī)對終端節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測和控制功能,。開機(jī)時，終端設(shè)定終端號,，主機(jī)對各終端進(jìn)行查詢,，如果在規(guī)定的時間無響應(yīng),，則認(rèn)為終端為關(guān)閉狀態(tài),，見表2～表5.
根據(jù)測試所得數(shù)據(jù)分析本系統(tǒng)，可在設(shè)定范圍（20～150）滴/min內(nèi)對點(diǎn)滴速度進(jìn)行控制,，各種情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定時間均小于3s;同時,，系統(tǒng)主機(jī)終端通信功能正常。
表1 點(diǎn)滴速度測試
表2 主機(jī)控制報(bào)文格式
表3 主機(jī)應(yīng)答報(bào)文格式
表4 終端返回的正確應(yīng)答報(bào)文格式
表5 終端返回的錯誤應(yīng)答報(bào)文格式
5 結(jié)論
基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療輸液無線監(jiān)控系統(tǒng),，可以準(zhǔn)確地采集輸液吊瓶液體存量信息,，并通過無線傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對患者的實(shí)時監(jiān)控,。一個功能完善,，基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)將得到推廣和應(yīng)用。具有低功耗和低成本的獨(dú)特優(yōu)勢的ZigBee系統(tǒng)將會在不遠(yuǎn)的將來取得更大的發(fā)展,。