可穿戴設備無線組網輸液監控系統探討

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摘要：為了解決傳統輸液過程中藥物不能及時更換、異常問題不易發現、醫護人員分配不合理等問題，設計并實現了一種輸液監控系統。系統以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６單片機作為主控芯片，用射頻電容判斷輸液進度，并通過ＷｉＦｉ無線傳輸的方式將數據發送給上位機數據管理軟件。系統還加入了可穿戴的移動終端，由上位機分配需要處理的患者信息，發送給就近護士的可穿戴設備，提醒護士及時進行處理。系統采用信息閉環管理設計，使系統能夠實現遠距離、低成本、無人看護的輸液監控，具有低功耗、可擴展的優點。

關鍵詞：輸液監控；ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６；射頻電容；ＷｉＦｉ組網；可穿戴設備

靜脈注射藥物治療在所有的醫學治療方案中大約占７０％～８０％［１］。如果輸液管中有空氣進入人體的血管，嚴重會形成空氣栓賽威脅患者生命安全［２］。目前醫療機構在監控輸液情況時普遍采用人工方式，難以適應如今的醫療水平發展。文獻［３］提出了基于非接觸式傳感器設計的一種無人陪護輸液報警裝置，通過聲光進行報警提醒患者或醫護人員進行處理。但患者往往處于意識薄弱狀態、醫護人員間斷性巡查，仍然會導致報警信息不能得到及時的處理。文獻［４］提出了基于無線藍牙的靜脈輸液監控器的設計，該系統通過藍牙的方式實現數據的傳輸，但藍牙通信距離近、不穩定，不適用于醫院環境。文獻［５］設計的一種智能輸液監控系統采用市電進行供電，不能滿足便攜式設計的要求。以上研究表明輸液報警系統仍然存在信息處理不及時、數據傳輸不穩定、功耗大等缺點。本文鑒于以上問題設計并實現了一種輸液監控系統，結合ＷｉＦｉ無線組網技術將采集的數據發送給上位機數據軟件進行存儲、顯示，將需要處理的信息發送給護士的可穿戴設備由護士及時進行處理。

１系統總體設計

輸液監控系統主要由傳感器采集模塊、中繼數據傳輸模塊、上位機數據管理軟件、可穿戴設備組成。中繼數據傳輸模塊將傳感器采集模塊采集的數據打包，再通過ＷｉＦｉ將數據發送至上位機。當輸液出現異常或輸液完成，上位機根據ＷｉＦｉ信號的強弱計算出距離，并將待處理信息發送給就近護士的可穿戴設備，通知護士及時進行處理。護士會將反饋信息發給上位機實現閉環管理，系統總體結構如圖１所示。

２系統硬件設計

２．１傳感器采集模塊設計

傳感器采集模塊主要由主控ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６單片機、射頻電容式傳感器、ＥＳＰ８２６６、供電模塊構成。傳感器采集模塊將病人的狀態分成三種，分別是離線（無人輸液）、正在輸液以及報警。本文采用射頻電容技術，通過檢測振蕩電壓電路來分辨輸液管中的液體與氣泡［６］。檢測電路所用芯片為ＴＴＰ２２３—ＢＡ６感應芯片，根據實際測試條件調節電極面積和連線電容，可以準確地檢測輸液情況。采集模塊上有ＥＳＰ８２６６通信芯片，ＥＳＰ８２６６芯片體積小，方便嵌入到任何設備內［７］。而且ＥＳＰ８２６６能夠ＳＴＡ與ＡＰ模式共存，實現Ｎ個模塊間組網［８］。

２．２中繼數據傳輸模塊設計

中繼作為每個病房的連接終端，配有一個ＥＳＰ８２６６芯片和ＣＨ９１２１ＤＳ１芯片。ＥＳＰ８２６６芯片用于接收來自輸液檢測模塊的狀態信息，ＣＨ９１２１ＤＳ１芯片用于將狀態信息發送至護士站的上位數據分析管理系統。１）中繼采用７．５Ｖ鋰電池進行供電，由三端可調正穩壓器ＬＭ１１７將７．５Ｖ轉換為５Ｖ，再由低壓差線性穩壓器ＡＭＳ１１７將５Ｖ轉換成３．３Ｖ為單片機供電。２）系統采用樹狀組網的拓撲結構。為滿足系統需求，中繼數據傳輸模塊與傳感器采集節點采用一對多的通信方式。網絡結構如圖２所示。２．３護士可穿戴設備模塊設計可穿戴設備是通信、觸摸、顯示一體化系統，可穿戴設備在保證能夠進行正常的信息交互外，還需要滿足小巧精密、便于攜帶等設計要求。１）根據設計需求可穿戴設備配有一片ＥＳＰ８２６６芯片與Ｗｅｂ網頁進行通信。ＴＦＴ液晶屏幕顯示相關信息、采用電容式觸摸按鍵代替傳統的機械式按鍵。硬件電路設計中，選擇了無電感的ＰＳ３１２０Ａ升壓電路。此電路的抗干擾強，同時無電感的設計減小了可穿戴設備的體積，便于攜帶。２）可穿戴設備根據與前端采集模塊之間的ＷｉＦｉ信號強度計算出二者之間的距離。并將信號強度發送給Ｗｅｂ網頁。

３系統軟件設計

３．１前端采集軟件設計

前端采集軟件設計首先完成模塊的初始化，再與中繼數據傳輸模塊建立連接，隨后傳感器會不間斷地檢測輸液信號。當檢測到輸液管中無液體或者存在氣泡時蜂鳴器報警，并將包含設備編號、報警信號等信息的數據包通過ＷｉＦｉ模塊發送給中繼數據傳輸模塊，前端采集流程如圖３（ａ）所示。

３．２中繼數據傳輸軟件設計

中繼數據傳輸模塊在完成模塊的初始化后，將用于接收前端采集數據的ＷｉＦｉ模塊設置為ＡＰ模式；將用于發送數據給數據庫的ＷｉＦｉ模塊設置為Ｓｔａｔｉｏｎ模式，與數據庫建立連接。當接收到報警信號時將數據打包發送給數據庫，中繼數據傳輸流程如圖３（ｂ）所示。

３．３可穿戴設備軟件設計

護士穿戴設備將接收到的病人狀態信息顯示在液晶屏幕上，可通過按鍵進行頁面切換，信息確認和發送信息，能夠及時處理和發送確認信息給Ｗｅｂ網頁；若不能發送處理信息給Ｗｅｂ網頁，隨即Ｗｅｂ網頁將報警信息發送給其他護士可穿戴設備。護士設備的每次通信操作均會被數據分析管理系統所記錄，可穿戴設備流程如圖３（ｃ）所示。

３．４上位機信息管理系統

為了避免前端直接與數據庫交互帶來的安全性問題［９］。護士病人信息管理系統基于ＳＳＭ與Ｖｕｅ框架進行前后端分離開發［１０］。前端Ｗｅｂ網頁主要負責與醫護人員交互，后端主要負責與數據庫的數據交互并將數據提交給前端。整個系統選擇具有可靠性傳輸、流量控制、擁塞控制的ＴＣＰ協議完成各個模塊的通信［１１］。Ｗｅｂ網頁能夠實現數據通信、顯示、存儲以及閉環的異常處理機制。以Ｉｎｔｅｌｌｉ-ＪＩＤＥＡ作為系統開發環境［１２］。３．４．１后端應用設計后端開發選擇當下主流具備體積小、效率高、簡單易用等特點的Ｍｙｓｑｌ數據庫存儲數據［１３］。基于ＳＳＭ框架，使用Ｊａｖａ語言進行后端開發［１４］。程序首先建立ＳｅｒｖｅｒＳｏｃｋｅｔ對象，并監聽數據通信端口號。然后，ＤａｔａＩｎｐｕｔＳｔｒｅａｍ按字節讀取輸入流中的數據，根據通信協議解析數據、存入數據庫中。３．４．２前端Ｗｅｂ網頁設計前端網頁設計通過Ｖｕｅ框架結合ＥｌｅｍｅｎｔＵＩ組件導入需要的布局容器，簡化網頁的開發，提高效率。醫護人員通過網頁向后端發送Ｈｔｔｐ請求，后端根據請求訪問數據庫執行增、刪、改、查等操作，將結果集返回給前端網頁進行顯示。使用Ｒｅｄｉｓ緩存中間件增加數據緩存層，若數據在緩存中存在，直接將數據返回，不再訪問數據庫，數據交互流程如圖３（ｄ）所示。為保護患者和醫護人員隱私，護士和管理員通過各自的賬號與密碼登錄。值班護士需要在系統上登記可穿戴設備號與自己的個人信息，系統分別可以顯示病人信息管理、可穿戴設備管理、護士管理等信息。護士病人管理系統Ｗｅｂ網頁如圖４所示。

４試驗結果與分析

根據系統需求分析設計了輸液監測設備和信息管理系統，為了驗證系統的穩定性與可行性，將設備安裝后進行實際測試。設備布局如下：９個前端采集設備安裝在不同位置，分別對不同容量的輸液瓶進行檢測，一個中繼數據傳輸設備用于接收前端數據，９個護士佩戴可穿戴設備進行信息交互測試。系統設備如圖５所示。１）輸液信號采集測試：對前端采集設備輸液信號檢測的準確率進行測試。測試結果如表１所示。２）可穿戴設備與前端采集設備間距離測試：９個護士分別佩戴可穿戴設備間歇性移動，用卷尺測量與采集設備之間的實際距離，并與系統計算的實測距離進行對比分析。測試結果如表２所示。通過系統測試過程與結果分析，前端采集設備能夠準確地采集到輸液管中液體信息，并將報警信息準確傳送給Ｗｅｂ網頁。Ｗｅｂ網頁能夠準確計算出離報警設備最近的可穿戴設備編號，對于實際距離的計算偏差控制在１ｍ以內，誤差不超過±１％，表明系統具有可行性，達到設計要求。

５結束語

本文以ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６微處理器為核心，結合傳感器、ＷｉＦｉ無線通信以及上位機數據管理開發設計了一種基于ＷｉＦｉ的遠程輸液報警系統。實現了對輸液大廳或者病房內患者輸液狀態的實時監測。設計的上位機數據管理系統能夠將待處理信息發送給就近護士。經測試，該系統能夠減輕醫護人員的工作壓力、降低人工成本、提高了患者輸液的安全性，具有應用推廣價值。

作者：王健 王仲宇 朱文凱 孫潔茹 潘瑞娟 陳曉寧 單位：安徽大學 電氣工程與自動化學院