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摘要：在护理病人的过程中，时刻关注病人输液情况是会使患者家属的感到疲惫，容易造成医疗事故。对此，本文设计了一种医院输液智能监控系统。该系统基于单片机技术与无线通讯技术，通过红外对管检测液滴流速，通过步进电机控制输液速度，在利用无限通讯将患者输液信息上传到上位机。该系统大大减轻了医护人员的压力、减少了静脉输液期间医疗事故发生的几率。
关键词：输液控制，单片机，无线通讯
1 引言
当下，人口老龄化变得越来越严重，随之而来的医疗压力与日俱增。在治疗过程中，输液是基本每个患者都要经历的，特别是病情严重的，输液的时间要更长。长时间、不能停止地关注输液情况，给陪护人员带来了很大的压力，让他们得不到休息。所以，采用先进的、智能的医疗监控手段来减轻护士以及陪护人员的压力是必要的。采用这样的监控手段，还方便了独自就医的患者。他们在输液的时候可以放心地休息，治疗效果会更好。
传统的静脉注射全凭医护人员的经验和观察来度输液流速做调整，实际的输液速度受主观因素的影响很大，通常情况下是不够准确的。特别是对于手术中和手术后的及其他特殊病情的患者，这种不规范的输液方式会造成药物的浪费，甚至导致病情的恶化。
为了解决以上两个问题，有必要设计一个造价低，精确度较高，稳定性强的医院输液智能监控系统。
2 总体设计方案
整个系统由分为上位机和下位机两个部分。下位机以AT89C52单片机为核心，上位机软件由LabVIEW编程完成，上位机与下位机的通讯由NRF24L01无线模块实现，总体设计如图1所示。
AT89C52单片机通过光电传感器测量液滴滴速，通过步进电机控制液体流速。用户输入患者信息，开始输液后，单片机把这些信息上传给上位机统一管理。下位机设计主要分为键盘输入、数码管显示、滴速测量、液位检测、电机控制及无线通讯六个部分，它们都通过电路设计及C语言编程来实现。PC上位机利用LabVIEW编程实现图形化控制管理界面，实时监测输液情况，并实现输液完成预警，上位机根据收到的数据判断出需要人工服务先后顺序，并显示在屏幕上。
3 硬件设计
3.1滴速及液位检测模块
该模块利用红外对管测量液体流速，发生管型号为R204，接收管型号为。将发射管与接收管相对放置，高度为8mm，两管相距16mm。其电路图如图2所示。为了避免外界光的干扰，用黑色胶套包裹住对管头部，仅露出一小部分保证信号的发射和接收。没有液体滴落时，接收端的输出为5V左右的高电平；有液体滴落的时候，由于液滴对光的吸收和散射，接收端的输出信号会降低到3V左右。通过比较器LM393来调理输出信号波形，可得到较为理想的方波信号。输出信号通过7号引脚与单片机的P3.3引脚连接。单片机计算相邻两个下降沿的时间即可计算出液体的滴速。液位的检测原理与滴速的检测原理类似，它用来检测液体是否滴完。其电路图如图3所示。
3.2电机控制模块
该模块实现速度控制的执行机构。采用28BYJ-48型号的步进电机，它的输入为5V，可直接与单片机共用电源。驱动模块选用ULN2003，使用该驱动只需将IN1～IN4接口与单片机的I/O连接。通过步进电机对卡夹装置两臂张角大小的控制可实现对流速的控制。当检测到输液完成后时，电机夹死输液管。
3.3 显示模块
该模块重要功能是显示患者编号，药液滴速，滴速上下限信息。为了降低整个系统的功耗，采用两位数码管来显示各种参数，通过按键的配合可以手动切换显示信息。数码管显示模块选用的是共阴极数码管，两个数码管并排显示，分别显示十位与个位。
3.4 键盘输入模块
下位机的键盘用来设置患者的输液信息，可设置的参数有：预设滴速、患者编号、输液量。键盘包括3个按键，包括：设定、+、-。以AT89C52单片机的P3口的高3位用作信息输入按键的I/O口。此外，还设计了复位按键。护士更换完输液袋或者输液完成后，按下此按键即可自动重置。
3.5 无线通讯模块
该模块主要用于实现单片机与上位机之间的通讯。单片机将接收到的数据通过发送端无线传输至上位机接收端。本系统选用的NRF24L01无线通讯模块，该模块的工作频段为2.400GHz～2.525GHz（默认为2.4GHz），可以有效避免WIFI、蓝牙等其他信号的干扰。
4 软件设计
4.1单片机软件设计
下位机以AT89C52为核心，使用INTO中断和定时器T0、T1对光电传感器转过来的液滴信号进行计数使用INT1中断对光电传感器检测到的液位信号进行中断处理。整个程序用C语言编写，实现了以下功能：（流程图如图4所示）
1、接收红外传感器信号，并计算液体滴速；
2、在检测到液体滴完的时候，实现电机锁死输液管并报警；
3、键盘输入患者信息、输液量、输液速度上下限；
4、发送患者输液信息给上位机。
4.1单片机软件设计
上位机接收端通过NRF24L01无线接收模块及USB转NRF24L01模块与PC连接，接收发送端的信号，发送的数据形式为17位字符串及起始位“A0”。
显示界面采用LabVIEW软件编程实现。LabVIEW通過串口读取NRF24L01无线模块接收到的字符串，通过对字符串的拆分得到用10进制数表示的患者信息并显示到固定的区域内。上位机的主要功能是实时监测每一个床位输液的情况：当有患者输液完毕时，上位机对应的患者的提示灯点亮；当患者输液异常时，对应报警灯点亮。
5 实验结果分析
为了验证该系统滴速测量实际性能，对不同滴速情况进行了实验。实验结果如表1所示。可以看出，无论快速输液还是慢速输液，测得的速度误差基本都在2滴/分钟以内，满足一般输液的要求。
LabVIEW显示界面如图5所示。可以正常显示所需信息，并能够实现异常状况下的报警。
6 总结
本文设计了一种医院输液监控管理系统。实现了输液的自动监测与控制，可以实时检测患者的输液速度，测量误差在，可以满足大多数的输液要求。上位机的显示界面简洁，方便医护人员浏览患者输液情况，可及时提醒换药及报警。但是，在速度控制方面精度不够理想，需要加以提高。总的来讲，该系统可以减轻病人家属及医院护理人员的负担，提高医院输液系统的安全性、医护人员工作效率，也提高了医院护理和管理的自动化与网络化水平。
参考文献：
[1]陆志颖，陈明霞，黎洪甫，李顺艳.基于STC89C52的智能输液监控系统[J].中国科技信息，2019（01）：64-66+13.
[2]张闪铭，李阳阳，沈晨，闫天赐，陈贤素，沈艳霞.基于蓝牙无线技术的智能医疗输液平台的设计[J].物联网技术，2017，7（10）：102-105.
[3]胡应坤，赵文龙，郑俊鹏，全颂华.基于ZigBee无线远程监控的点滴输液控制系统[J].电子世界，2017（05）：135-136.
[4]欧阳威，钟冬秀，谢宗越.便携式声光输液报警器的研制与应用[J].赣南医学院学报，2017，37（02）：296-297.
[5]王洋，黄其维.智能输液实时监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2017（21）：92.
[6]傅俊楠.智能静脉输液滴速控制系统设计[D].华南理工大学，2013.
[7]吴相甫.基于嵌入式平台的智能医疗输液系统的设计[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所），2013.
[8]陈俊梅，龚勇，杨万秋，吕贤婷，周晋阳.医用输液器智能控制装置的改进与实现[J].医疗装备，2016，29（16）：32-33.
*基金项目：本文系大学生科研立项目医院输液智能监控系统设计研究成果，项目编号：17A188
关键词：输液控制，单片机，无线通讯
1 引言
当下，人口老龄化变得越来越严重，随之而来的医疗压力与日俱增。在治疗过程中，输液是基本每个患者都要经历的，特别是病情严重的，输液的时间要更长。长时间、不能停止地关注输液情况，给陪护人员带来了很大的压力，让他们得不到休息。所以，采用先进的、智能的医疗监控手段来减轻护士以及陪护人员的压力是必要的。采用这样的监控手段，还方便了独自就医的患者。他们在输液的时候可以放心地休息，治疗效果会更好。
传统的静脉注射全凭医护人员的经验和观察来度输液流速做调整，实际的输液速度受主观因素的影响很大，通常情况下是不够准确的。特别是对于手术中和手术后的及其他特殊病情的患者，这种不规范的输液方式会造成药物的浪费，甚至导致病情的恶化。
为了解决以上两个问题，有必要设计一个造价低，精确度较高，稳定性强的医院输液智能监控系统。
2 总体设计方案
整个系统由分为上位机和下位机两个部分。下位机以AT89C52单片机为核心，上位机软件由LabVIEW编程完成，上位机与下位机的通讯由NRF24L01无线模块实现，总体设计如图1所示。
AT89C52单片机通过光电传感器测量液滴滴速，通过步进电机控制液体流速。用户输入患者信息，开始输液后，单片机把这些信息上传给上位机统一管理。下位机设计主要分为键盘输入、数码管显示、滴速测量、液位检测、电机控制及无线通讯六个部分，它们都通过电路设计及C语言编程来实现。PC上位机利用LabVIEW编程实现图形化控制管理界面，实时监测输液情况，并实现输液完成预警，上位机根据收到的数据判断出需要人工服务先后顺序，并显示在屏幕上。
3 硬件设计
3.1滴速及液位检测模块
该模块利用红外对管测量液体流速，发生管型号为R204，接收管型号为。将发射管与接收管相对放置，高度为8mm，两管相距16mm。其电路图如图2所示。为了避免外界光的干扰，用黑色胶套包裹住对管头部，仅露出一小部分保证信号的发射和接收。没有液体滴落时，接收端的输出为5V左右的高电平；有液体滴落的时候，由于液滴对光的吸收和散射，接收端的输出信号会降低到3V左右。通过比较器LM393来调理输出信号波形，可得到较为理想的方波信号。输出信号通过7号引脚与单片机的P3.3引脚连接。单片机计算相邻两个下降沿的时间即可计算出液体的滴速。液位的检测原理与滴速的检测原理类似，它用来检测液体是否滴完。其电路图如图3所示。
3.2电机控制模块
该模块实现速度控制的执行机构。采用28BYJ-48型号的步进电机，它的输入为5V，可直接与单片机共用电源。驱动模块选用ULN2003，使用该驱动只需将IN1～IN4接口与单片机的I/O连接。通过步进电机对卡夹装置两臂张角大小的控制可实现对流速的控制。当检测到输液完成后时，电机夹死输液管。
3.3 显示模块
该模块重要功能是显示患者编号，药液滴速，滴速上下限信息。为了降低整个系统的功耗，采用两位数码管来显示各种参数，通过按键的配合可以手动切换显示信息。数码管显示模块选用的是共阴极数码管，两个数码管并排显示，分别显示十位与个位。
3.4 键盘输入模块
下位机的键盘用来设置患者的输液信息，可设置的参数有：预设滴速、患者编号、输液量。键盘包括3个按键，包括：设定、+、-。以AT89C52单片机的P3口的高3位用作信息输入按键的I/O口。此外，还设计了复位按键。护士更换完输液袋或者输液完成后，按下此按键即可自动重置。
3.5 无线通讯模块
该模块主要用于实现单片机与上位机之间的通讯。单片机将接收到的数据通过发送端无线传输至上位机接收端。本系统选用的NRF24L01无线通讯模块，该模块的工作频段为2.400GHz～2.525GHz（默认为2.4GHz），可以有效避免WIFI、蓝牙等其他信号的干扰。
4 软件设计
4.1单片机软件设计
下位机以AT89C52为核心，使用INTO中断和定时器T0、T1对光电传感器转过来的液滴信号进行计数使用INT1中断对光电传感器检测到的液位信号进行中断处理。整个程序用C语言编写，实现了以下功能：（流程图如图4所示）
1、接收红外传感器信号，并计算液体滴速；
2、在检测到液体滴完的时候，实现电机锁死输液管并报警；
3、键盘输入患者信息、输液量、输液速度上下限；
4、发送患者输液信息给上位机。
4.1单片机软件设计
上位机接收端通过NRF24L01无线接收模块及USB转NRF24L01模块与PC连接，接收发送端的信号，发送的数据形式为17位字符串及起始位“A0”。
显示界面采用LabVIEW软件编程实现。LabVIEW通過串口读取NRF24L01无线模块接收到的字符串，通过对字符串的拆分得到用10进制数表示的患者信息并显示到固定的区域内。上位机的主要功能是实时监测每一个床位输液的情况：当有患者输液完毕时，上位机对应的患者的提示灯点亮；当患者输液异常时，对应报警灯点亮。
5 实验结果分析
为了验证该系统滴速测量实际性能，对不同滴速情况进行了实验。实验结果如表1所示。可以看出，无论快速输液还是慢速输液，测得的速度误差基本都在2滴/分钟以内，满足一般输液的要求。
LabVIEW显示界面如图5所示。可以正常显示所需信息，并能够实现异常状况下的报警。
6 总结
本文设计了一种医院输液监控管理系统。实现了输液的自动监测与控制，可以实时检测患者的输液速度，测量误差在，可以满足大多数的输液要求。上位机的显示界面简洁，方便医护人员浏览患者输液情况，可及时提醒换药及报警。但是，在速度控制方面精度不够理想，需要加以提高。总的来讲，该系统可以减轻病人家属及医院护理人员的负担，提高医院输液系统的安全性、医护人员工作效率，也提高了医院护理和管理的自动化与网络化水平。
参考文献：
[1]陆志颖，陈明霞，黎洪甫，李顺艳.基于STC89C52的智能输液监控系统[J].中国科技信息，2019（01）：64-66+13.
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[4]欧阳威，钟冬秀，谢宗越.便携式声光输液报警器的研制与应用[J].赣南医学院学报，2017，37（02）：296-297.
[5]王洋，黄其维.智能输液实时监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2017（21）：92.
[6]傅俊楠.智能静脉输液滴速控制系统设计[D].华南理工大学，2013.
[7]吴相甫.基于嵌入式平台的智能医疗输液系统的设计[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所），2013.
[8]陈俊梅，龚勇，杨万秋，吕贤婷，周晋阳.医用输液器智能控制装置的改进与实现[J].医疗装备，2016，29（16）：32-33.
*基金项目：本文系大学生科研立项目医院输液智能监控系统设计研究成果，项目编号：17A188