摘要：基于電力線載波技術(shù)的輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)是由單片機,、紅外線檢測電路和步進電機組成的,，并以SC1128擴頻通信芯片為基礎(chǔ),，輔以外圍電路設(shè)計的,，實現(xiàn)對輸液液位和輸液速度的實時監(jiān)測及控制輸液速度,。輸液監(jiān)測系統(tǒng)中輸液的液位和速度通過紅外檢測得到實時的數(shù)據(jù),，經(jīng)過調(diào)制電路耦合到電力線上傳送至接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)傳給上位機,，由上位機發(fā)出控制指令使步進電機動作以實現(xiàn)對輸液速度的控制,。該系統(tǒng)具有自動報警及同時監(jiān)測多個輸液對象的功能。
電力網(wǎng)是用戶普及的物理網(wǎng)絡(luò),，其用戶使用群是任何網(wǎng)絡(luò)都無法比擬的,，而電力網(wǎng)的現(xiàn)有的主要用途是傳輸電能。如何利用電力網(wǎng)絡(luò)資源潛力,，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ牛怪蔀槔^電信,、電話,、無線通信、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng),，是多年來國內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的又一目標,。電力線載波通信是利用電力線路作為傳輸通道的載波通信，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式,。電力線載波通信和其他通信方式相比,，具有自己獨特的優(yōu)勢，不需要進行布線施工,，網(wǎng)絡(luò)延伸廣泛,，且現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定可靠的保障，因而在醫(yī)療設(shè)備中利用電力線通信實現(xiàn)通信與監(jiān)控是非常實際而有前景的,。
1．輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案
輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要有兩個方面：一方面在病房要采集病人點滴瓶的液位信息,，輸液結(jié)束時進行本地報警，引起病人及病人家屬的注意,；另一方面護士在工作站實時觀察病人輸液狀態(tài),，得到報警信號后做到及時處理，實現(xiàn)輸液遠程監(jiān)測,。
本設(shè)計將輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)按功能劃分為兩部分,，一部分安設(shè)在病房中，稱之為病房輸液信息采集器（下位機）,，采集病人的液位信息,。另一部分放置在護士站，由值班護士進行監(jiān)控,，接受采集器上傳的數(shù)據(jù)和輸液結(jié)束報警,，這部分稱為輸液監(jiān)測控制中心。具體的結(jié)構(gòu)如圖1,。
圖1輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 載波通信控制器部分硬件設(shè)計
無論是輸液采集器還是輸液監(jiān)測控制中心都需要載波通信系統(tǒng),，只不過是輸液信息采集器增加了輸液信息采集與控制功能,。
2.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)中采用具有擴頻通信功能的SC1128作電力線載波芯片，用AT89C51作通信控制和輸液信息采集（在下位機中）芯片,，利用RS232口先進行點對點通信,。圖2為通信系統(tǒng)的硬件框圖。
圖2 通信系統(tǒng)的硬件框圖
如圖2所示,，信號由電力線經(jīng)耦合器,、帶通濾波器和前級放大器進入SC1128芯片。經(jīng)微處理器處理后數(shù)據(jù)送至上位機完成接收,。信號經(jīng)SC1128通過功率放大器和耦合器發(fā)送至電力線上完成發(fā)送,。
2.2 SC1128外圍硬件的設(shè)計
SC1128外圍電路由電源電路、耦合電路,、濾波器,、自動增益前級放大器和功率放大器組成。
電源電路由工頻變壓器,、濾波二極管電橋,、濾波電容、三端穩(wěn)壓器等組成,，主要為系統(tǒng)提供+12V與+5V電源,。耦合電路由中頻變壓器、浪涌保護二極管和起限幅作用的二極管等組成,，是信號傳輸?shù)耐ǖ?，載波信號經(jīng)它耦合到220V交流電路上。帶通濾波器由電容與電感組成,，信號由耦合電路輸入,，濾掉雜波，再把信號輸入到自動增益前級放大器電路,。自動增益前級放大器是將接收的信號進行不失真放大,，再輸入SC1128的片內(nèi)放大電路。功率放大器電路是將經(jīng)過SC1128芯片處理后的脈沖放大,，（此輸出為OC門輸出,，在使用過程是應(yīng)接上拉電阻，本電路上拉電阻值為2k,。功率放大器由12V直流供電）。具體電路圖略,。
2.3 SC1128與單片機的接口
圖3是SC1128與AT89C51的接口圖,。SC1128第28腳為電路工作主時鐘的二分之一的晶振輸出。32腳電壓監(jiān)測端,。33腳看門狗輸入端,，正常工作時應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化,。34腳看門狗輸出端，與33腳配合,，正常時輸出低電平,，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖。35腳與32腳配合,，當電源信號低于監(jiān)測值時,，輸出低電平，當高于監(jiān)測值,，則輸出高電平,。36腳收發(fā)控制端，0為接收,，1為發(fā)射,。37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號，頻率隨工作主時鐘和周波的變化而變化,。38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù),。39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端。40腳為同步設(shè)置時鐘輸入端,。41腳為片選輸入端,。當發(fā)射狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置高,，SC1128芯片發(fā)出同步脈沖（37腳）,，單片機通過TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)。當接收狀態(tài)時,，單片機將SR端（36腳）置低,，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步脈沖,，通過TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機,。
圖3 SC1128與AT89C51的接口圖
摘要：基于電力線載波技術(shù)的輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)是由單片機、紅外線檢測電路和步進電機組成的,，并以SC1128擴頻通信芯片為基礎(chǔ),，輔以外圍電路設(shè)計的，實現(xiàn)對輸液液位和輸液速度的實時監(jiān)測及控制輸液速度,。輸液監(jiān)測系統(tǒng)中輸液的液位和速度通過紅外檢測得到實時的數(shù)據(jù),，經(jīng)過調(diào)制電路耦合到電力線上傳送至接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)傳給上位機,，由上位機發(fā)出控制指令使步進電機動作以實現(xiàn)對輸液速度的控制,。該系統(tǒng)具有自動報警及同時監(jiān)測多個輸液對象的功能。
電力網(wǎng)是用戶普及的物理網(wǎng)絡(luò)，其用戶使用群是任何網(wǎng)絡(luò)都無法比擬的,，而電力網(wǎng)的現(xiàn)有的主要用途是傳輸電能,。如何利用電力網(wǎng)絡(luò)資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上,，實現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ?，使之成為繼電信、電話,、無線通信,、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來國內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的又一目標,。電力線載波通信是利用電力線路作為傳輸通道的載波通信,，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。電力線載波通信和其他通信方式相比,，具有自己獨特的優(yōu)勢,，不需要進行布線施工，網(wǎng)絡(luò)延伸廣泛,，且現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定可靠的保障,，因而在醫(yī)療設(shè)備中利用電力線通信實現(xiàn)通信與監(jiān)控是非常實際而有前景的。
1．輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案
輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)的功能主要有兩個方面：一方面在病房要采集病人點滴瓶的液位信息,，輸液結(jié)束時進行本地報警,，引起病人及病人家屬的注意；另一方面護士在工作站實時觀察病人輸液狀態(tài),，得到報警信號后做到及時處理,，實現(xiàn)輸液遠程監(jiān)測。
本設(shè)計將輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)按功能劃分為兩部分,，一部分安設(shè)在病房中,，稱之為病房輸液信息采集器（下位機），采集病人的液位信息,。另一部分放置在護士站,，由值班護士進行監(jiān)控，接受采集器上傳的數(shù)據(jù)和輸液結(jié)束報警,，這部分稱為輸液監(jiān)測控制中心,。具體的結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 載波通信控制器部分硬件設(shè)計
無論是輸液采集器還是輸液監(jiān)測控制中心都需要載波通信系統(tǒng),，只不過是輸液信息采集器增加了輸液信息采集與控制功能,。
2.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)中采用具有擴頻通信功能的SC1128作電力線載波芯片，用AT89C51作通信控制和輸液信息采集（在下位機中）芯片,，利用RS232口先進行點對點通信,。圖2為通信系統(tǒng)的硬件框圖,。
圖2 通信系統(tǒng)的硬件框圖
如圖2所示，信號由電力線經(jīng)耦合器,、帶通濾波器和前級放大器進入SC1128芯片。經(jīng)微處理器處理后數(shù)據(jù)送至上位機完成接收,。信號經(jīng)SC1128通過功率放大器和耦合器發(fā)送至電力線上完成發(fā)送,。
2.2 SC1128外圍硬件的設(shè)計
SC1128外圍電路由電源電路、耦合電路,、濾波器,、自動增益前級放大器和功率放大器組成。
電源電路由工頻變壓器,、濾波二極管電橋,、濾波電容、三端穩(wěn)壓器等組成,，主要為系統(tǒng)提供+12V與+5V電源,。耦合電路由中頻變壓器、浪涌保護二極管和起限幅作用的二極管等組成,，是信號傳輸?shù)耐ǖ?，載波信號經(jīng)它耦合到220V交流電路上。帶通濾波器由電容與電感組成,，信號由耦合電路輸入,，濾掉雜波，再把信號輸入到自動增益前級放大器電路,。自動增益前級放大器是將接收的信號進行不失真放大,，再輸入SC1128的片內(nèi)放大電路。功率放大器電路是將經(jīng)過SC1128芯片處理后的脈沖放大,，（此輸出為OC門輸出,，在使用過程是應(yīng)接上拉電阻，本電路上拉電阻值為2k,。功率放大器由12V直流供電）,。具體電路圖略。
2.3 SC1128與單片機的接口
圖3是SC1128與AT89C51的接口圖,。SC1128第28腳為電路工作主時鐘的二分之一的晶振輸出,。32腳電壓監(jiān)測端。33腳看門狗輸入端,，正常工作時應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化,。34腳看門狗輸出端，與33腳配合,，正常時輸出低電平,，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖。35腳與32腳配合，當電源信號低于監(jiān)測值時,，輸出低電平,，當高于監(jiān)測值，則輸出高電平,。36腳收發(fā)控制端,，0為接收，1為發(fā)射,。37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號,，頻率隨工作主時鐘和周波的變化而變化。38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù),。39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端,。40腳為同步設(shè)置時鐘輸入端。41腳為片選輸入端,。當發(fā)射狀態(tài)時,，單片機將SR端（36腳）置高，SC1128芯片發(fā)出同步脈沖（37腳）,，單片機通過TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù),。當接收狀態(tài)時，單片機將SR端（36腳）置低,，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù),，則產(chǎn)生同步脈沖，通過TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機,。
圖3 SC1128與AT89C51的接口圖
3. 載波通信系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計
通信模塊的程序主要包括發(fā)送測試程序,、發(fā)送中斷服務(wù)程序、接受中斷服務(wù)程序,，主要完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程,，程序清單略。
在進行通信時還要注意中斷和通信的配合問題,，要先設(shè)置通信狀態(tài),，再開放相應(yīng)的中斷。另外要注意先要讓接收一方工作之后再讓發(fā)送一方發(fā)送數(shù)據(jù),，這可以保證不丟失數(shù)據(jù),。
在編寫通信程序時要注意，收,、發(fā)雙方的通信速率要一致,。門限值只對接收一方有意義，門限值的高低將影響到通信的誤碼率,，但并非是門限值越高就一定越好,，要根據(jù)各自的通信情況和相應(yīng)的速率適當選擇,。SC1128在通信時收、發(fā)要注意時序的配合,。
4. 輸液信息采集器的設(shè)計
輸液信息采集器是在載波通信控制器的基礎(chǔ)上增加了輸液信息采集與控制功能,。由圖3可以看出，通信控制器中只用了AT89C51的P1口和串行通信引腳,，所以輸液信息采集器的設(shè)計巧妙地避開了AT89C51的P1口和串行通信引腳,，充分利用了AT89C51的P2和P3口實現(xiàn)了檢測與控制功能。具體電路如圖4,。
圖4 滴速控制與液位檢測報警電路圖
如圖4所示，由單片機編程,，將滴速檢測信號送到單片機與設(shè)置在單片機的滴速比較,，再由單片機發(fā)出控制信號給驅(qū)動芯片SAA1027對電動機的正反轉(zhuǎn)進行控制以實現(xiàn)對儲液瓶的高度控制。這樣就可以對滴速進行控制了,。
將光電傳感器安裝到輸液瓶上,，當輸液瓶的液位到達警戒液位時由于介質(zhì)的變化使傳感器的輸出電壓發(fā)生變化。從而實現(xiàn)液位警戒值檢測和極限值檢測,，聲光報警就是利用單片機AT89C51的I/O口控制并驅(qū)動發(fā)光管和蜂鳴器工作,，實現(xiàn)聲光報警。
5. 系統(tǒng)調(diào)試
對電力載波終端的測試是在同一臺變壓器范圍內(nèi)的某一單相上進行的,。一臺電力載波終端配一臺接收機進行電力載波通信測試,。分別在不同時間段和不同通信距離進行了測試，具體的測試結(jié)果如表1所示,。
表1 電力載波終端的測試數(shù)據(jù)
測試結(jié)果表明,，近距離測試時，在有負載和較強干擾如電力載波終端和接收機間有十幾臺正在運行的電腦和幾個充電設(shè)備的情況下,，電力載波終端仍能可靠的通信,，完全滿足通信與測控的要求。
本文作者創(chuàng)新點：利用擴頻通信電力線載波芯片SC1128和AT89C51單片機設(shè)計了輸液遠程監(jiān)測系統(tǒng),。該系統(tǒng)通過電力線載波,，利用低壓電力線作為通信媒介，不需要進行重新布線施工實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)化,，做到了病房輸液系統(tǒng)的遠程監(jiān)控,。同時也證明了擴頻調(diào)制技術(shù)具有更好適應(yīng)性和先進性，進一步展示了低壓電力載波通信的美好發(fā)展前景,。
參考文獻
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