摘要：為實現(xiàn)靜脈輸液的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，研制了一套以STM32為核心的輸液監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)具有液滴檢測,、液滴速度顯示與控制、余液顯示,、無線通信和聲光報警等功能,。系統(tǒng)采用紅外對管檢測莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況，用步進電機及配套傳動裝置控制液滴流速,，用OLED顯示屏顯示液滴速度及剩余液量,，用WIFI232模塊實現(xiàn)無線通信。若發(fā)生異常情況，利用蜂鳴器和LED燈進行聲光報警,，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時處理,。該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：輸液監(jiān)控,；STM32,；無線通信；步進電機

0引言

　　靜脈輸液是臨床醫(yī)學(xué)中最常用的輔助醫(yī)療方法之一,。據(jù)統(tǒng)計,，80%以上的住院患者接受靜脈輸液治療［1］。在患者進行輸液治療的過程中,，醫(yī)護人員會根據(jù)藥液和患者病情選擇適宜的輸液速度,。目前，大部分醫(yī)院仍然依據(jù)醫(yī)護人員的經(jīng)驗通過人工調(diào)整輸液管的流速調(diào)節(jié)器來控制輸液速度,，這具有很大的不確定性,。同時，患者,、陪侍或醫(yī)護人員需要監(jiān)視藥液余量情況,，這增加了護理人員的工作強度和意外情況發(fā)生的可能。

　　本文研制了一套基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)來替代人工監(jiān)護,。系統(tǒng)采用紅外對管檢測莫菲氏滴管內(nèi)的液滴滴落情況,，用步進電機及配套傳動裝置控制液滴速度，用OLED顯示液滴速度及剩余液量,，用WIFI232模塊實現(xiàn)與PC機的無線通信,。通過觀察上位機的監(jiān)控管理軟件，醫(yī)護人員可實時掌握多個病人的輸液進程,。若發(fā)生異常情況,，蜂鳴器和LED燈會進行聲光報警，相關(guān)人員可根據(jù)提醒及時處理,。該系統(tǒng)不但提高了患者輸液時的舒適程度,，提高了靜脈輸液的治療效果，還降低了護理人員的勞動強度,，減輕了醫(yī)護人員的工作壓力,。

1系統(tǒng)組成和工作原理

　　1.1系統(tǒng)組成

　　基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。主要包括紅外液滴檢測模塊,、按鍵模塊,、步進電機及其驅(qū)動電路、輸液關(guān)斷傳動裝置,、無線通信模塊,、顯示模塊、報警模塊等。該系統(tǒng)采用性能優(yōu)越,、功耗低的32 位微處理器STM32F103ZET6作為控制核心,。

　　1.2工作原理

　　系統(tǒng)的工作原理：初始狀態(tài)時，步進電機控制傳動裝置擠壓關(guān)斷輸液管,，此時液滴無法滴落,。醫(yī)護人員根據(jù)藥液屬性和患者情況設(shè)定輸液速度，微處理器控制步進電機順時針轉(zhuǎn)動,，步進電機通過齒輪組帶動傳動裝置的絲桿螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)動,。傳動裝置逐漸減緩對輸液管的擠壓，因此,，輸液管內(nèi)越來越多的藥液通過擠壓處,。液滴檢測模塊的紅外對管實時監(jiān)測液滴滴落情況，檢測電路將紅外對管監(jiān)測到的液滴滴落情況轉(zhuǎn)換為高低電位傳送給微處理器處理,。微處理器將高低電位情況轉(zhuǎn)換為實時速度并設(shè)定速度比較,，當(dāng)實時速度等于設(shè)定速度時，微處理器控制步進電機停止轉(zhuǎn)動,，與步進電機相連的傳動裝置也停止運動,，流經(jīng)輸液管擠壓處的藥液流量恒定，輸液速度不再變化,。微處理器將輸液速度、藥液剩余量以及預(yù)測輸液結(jié)束時間等數(shù)據(jù)通過無線通信模塊傳送給PC機,，醫(yī)護人員觀察監(jiān)控軟件管理界面的顯示情況進行處理,。患者通過OLED顯示模塊觀察輸液速度和預(yù)測輸液結(jié)束時間等情況,。如若需要,，患者可根據(jù)自身情況通過按鍵向上或向下調(diào)整輸液速度。微處理器通過控制步進電機順時針或逆時針轉(zhuǎn)動來增加或降低輸液速度,。當(dāng)輸液剩余量低于設(shè)定值時,，微處理器通過控制步進電機逆時針轉(zhuǎn)動來關(guān)斷輸液，通過LED燈閃爍和蜂鳴模塊報警來提醒患者,，監(jiān)控管理軟件通過高亮顯示剩余輸液量來提示醫(yī)護人員進行處理,。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　由系統(tǒng)組成可知，系統(tǒng)包含了較多的硬件單元,，本文重點介紹紅外液滴檢測,、輸液關(guān)斷、無線通信三個核心單元,。

　　2.1紅外液滴檢測

　　液滴信號的精確采集是計算滴速的前提,，信號采集既要確保不會漏檢，又要符合衛(wèi)生需要，不能接觸藥液,。為此,，采用紅外光電傳感技術(shù)，將紅外對管的發(fā)射管和接收管分別安裝在莫菲氏滴管的兩側(cè)［2］,。紅外對管供電正常工作時,，發(fā)射管發(fā)射紅外光，紅外光穿過莫菲氏滴管照射到接收管,，接收管將接到的光強轉(zhuǎn)換為電流,。若莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時，紅外光光強損失小,，接收管轉(zhuǎn)換的電流較強,；莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時，紅外光光強損失大,，接收管轉(zhuǎn)換的電流較弱,。利用此原理，設(shè)計如圖2所示的電路,，將電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化,，從而將藥液滴落情況轉(zhuǎn)換為電壓的變化情況。

　　如圖2所示,，在5 V電源系統(tǒng)供電的情況下,，紅外發(fā)光二極管的發(fā)光頻率由音頻譯碼器LM567決定。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)無液滴滴落時,，接收管能接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光,，從而產(chǎn)生較強電流。電流足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通,，三極管所在支路產(chǎn)生與二極管所在支路頻率相同的電流,。經(jīng)過雙運算放大器LM358的放大和反相，音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號與中心振蕩信號（圖中輸出信號）一致,，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理,，8腳輸出為0 V低電平。當(dāng)莫菲氏滴管內(nèi)有液滴滴落時,，接收管接收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的部分光,，從而產(chǎn)生較弱的電流。電流不足以使接收管內(nèi)的三極管導(dǎo)通,。雙運算放大器LM358的U1輸入端輸入信號與發(fā)光二極管的電流頻率不一致,，故而音頻譯碼器LM567的3腳輸入信號與中心振蕩信號不一致，根據(jù)音頻譯碼器LM567的工作原理,，8腳輸出為5 V高電平,。

　　當(dāng)藥液不斷滴落時,，音頻譯碼器LM567的8腳輸出端口形成一個標(biāo)準(zhǔn)的矩形波正向脈沖。低電平表示無液滴滴落,，高電平表示有液滴滴落,。將LM567的8腳輸出端連接到STM32的I/O端口上，利用定時器的輸入捕獲功能可測量出兩個上升沿的時間間隔,，也就是兩個液滴之間的時間間隔,，從而計算出液滴滴落速度。

　　2.2輸液關(guān)斷

　　系統(tǒng)采用Φ15mm步進電機和絲桿－螺母機構(gòu)作為輸液關(guān)斷裝置,。STM32微處理器通過L293D驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,，與步進電機相連的齒輪組也隨之轉(zhuǎn)動。絲桿－螺母機構(gòu)固定在齒輪組最后一級的齒輪上,。固定螺母的橫向轉(zhuǎn)動,，螺母就會在絲桿轉(zhuǎn)動的情況下軸向移動。輸液關(guān)斷裝置正是利用螺母的軸向移動來擠壓輸液管,，達到控制輸液速度的目的,。

　　由于STM32的負(fù)載能力有限，不能直接驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,，所以有必要在STM32和步進電機之間加上步進電機驅(qū)動電路,，增加單片機帶負(fù)載能力。系統(tǒng)采用L293D作為驅(qū)動芯片,，該芯片完全能滿足驅(qū)動需求,。

　　步進電機是純粹的數(shù)字控制電動機，由電脈沖信號即可轉(zhuǎn)變成角位移,。由于選用的Φ15mm步進電機為兩相四線步進電機,，故STM32須輸出四路脈沖信號控制電動機轉(zhuǎn)動相位角。四路脈沖信號要按照步進電機的工作原理輸入,，本系統(tǒng)采用四相四拍脈沖輸入，輸入波形如圖3所示,。

　　2.3無線通信

　　系統(tǒng)上位機和下位機間的信息交換方式采用串行通信,，通信的轉(zhuǎn)換方式采用RS232全雙工配置。下位機STM32的異步串行接口與RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信電路之間通過通信接口芯片MAX3232轉(zhuǎn)換信號電平,，再經(jīng)過USRWIFI232芯片實現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā),，上位機安裝WiFi數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，從而實現(xiàn)無線通信［3］,。上位機可收發(fā)多個下位機的數(shù)據(jù),，實現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化。無線通信單元的外部電路連接如圖4所示,。

　　圖4無線通信單元的外部電路連接上位機主動查詢下位機的應(yīng)答信號,，若一次收不到應(yīng)答,，則再發(fā)送一次查詢信號；若連續(xù)三次收不到應(yīng)答,，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障,，自動報警。如果系統(tǒng)給出應(yīng)答,，則雙方按照規(guī)定的通信協(xié)議進入數(shù)據(jù)通信狀態(tài),。 該無線通信單元安全可靠、抗干擾能力強,，室內(nèi)通信傳輸距離可達50~60 m,。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)的軟件部分可分為上位機監(jiān)控管理軟件和嵌入式程序兩部分。其中,，嵌入式程序包括主程序,、滴速測量、速度控制,、按鍵設(shè)置,、OLED顯示、無線通信,、報警等程序單元,。本文只介紹上位機監(jiān)控管理軟件、滴速測量子程序和無線通信子程序三個重點模塊,。

　　3.1上位機監(jiān)控管理軟件

　　上位機監(jiān)控管理軟件用于幫助醫(yī)護人員遠程實時監(jiān)控患者的輸液情況,，通過設(shè)定和修改相關(guān)參數(shù)改變輸液進程。

　　上位機監(jiān)控管理軟件是在VS2013平臺下用C#語言編寫而成,，其結(jié)構(gòu)組成如圖5所示,。B/S模式的前臺網(wǎng)頁服務(wù)程序由三部分組成：系統(tǒng)登錄界面程序、系統(tǒng)監(jiān)測界面程序和系統(tǒng)用戶操作界面程序,。對登錄的用戶采取權(quán)限處

理,，權(quán)限不同登錄的界面不同，進而操作也不同,。C/S模式下的Windows后臺服務(wù)程序,，通過Socket通信與WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸，并且通過SQL語句把從服務(wù)器上得到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫,，對數(shù)據(jù)進行進一步加工,，生成可視化內(nèi)容供醫(yī)護人員參考，進而做出相應(yīng)決策,。

　　3.2滴速測量子程序

　　由前述可知,，液滴檢測電路將液滴滴落的情況轉(zhuǎn)換為高低電平信號，低電平代表無液滴滴落,，高電平代表捕獲到液滴滴落,，液滴不停地滴落形成PWM波形,。利用STM32的定時器可實現(xiàn)PWM的周期測量。簡單地說就是,，定時器檢測到上升沿時開始計數(shù),，當(dāng)檢測到下一次上升沿時，將當(dāng)前計數(shù)值存放到對應(yīng)通道的捕獲/比較寄存器中,，完成PWM的周期測量,。

　　定時器測定的周期為兩個液滴滴落的時間間隔，記為T,，選取計時精度為1 ms,。為了便于觀察，通常記錄滴速的單位為：滴/min,，因此計算滴速的公式為：V=60*1000/T,。由于液滴滴落情況易受環(huán)境影響，波動較大,，為提高滴速測量精度,，采用連續(xù)測量3個液滴取平均速度的方法。實踐表明,，此種測量方案完全能夠達到測量精度要求,。滴速測量子程序流程圖如圖6所示?！?/p>

　　3.3無線通信子程序

　　硬件搭建完成后,，首先進行初始化。初始化的主要內(nèi)容是設(shè)置波特率和服務(wù)器IP地址,，系統(tǒng)的波特率設(shè)置為57 600 b/s,，服務(wù)器IP地址為：1010100254。初始化完成后,，點擊建立TCP連接,，USRWIFI232芯片進入監(jiān)測狀態(tài)，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)接收,。

　　當(dāng)USRWIFI232芯片接收到程序設(shè)置的相應(yīng)頻段的載波信號且接收到信號的地址信號與程序設(shè)置吻合時,，芯片配對成功。設(shè)置芯片的工作模式為接收,，上位機通過WiFi網(wǎng)絡(luò),，以設(shè)定的波特率把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32內(nèi),。隨后,，STM32通過 RS232串口將反饋信號傳輸至芯片，更改芯片工作模式為發(fā)送,，反饋信號再通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控管理軟件,，系統(tǒng)完成一次循環(huán)［4］,。重新設(shè)置芯片的工作模式為接收，重復(fù)以上過程,，系統(tǒng)開始新的循環(huán),，接收新數(shù)據(jù)。無線通信子程序流程圖如圖7所示,?！?/p>

　　本文深入地分析了基于STM32的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)能夠精確地測量和調(diào)整滴速,。系統(tǒng)具有無線通信功能,，實現(xiàn)了一機多能、一機多用,，便于醫(yī)護人員集中管理,，大大減輕了醫(yī)護人員的工作強度。測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)安全,、可靠、精度高,，具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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