0 引言

目前，大多数国内医院仍然依靠人工监督输液状态，人工监督方式增加了医护工作人员的工作量。仅在ICU病房才使用全智能的输液监控系统，而且这些全智能输液监控系统基本采用进口的 [1-3]。由于进口的全智能输液监控产品非常昂贵，普通医院无法承担大笔费用支出，这给国内医院临床医疗点滴监控智能化系统管理带来了较大困难 [4-5]。针对当前医疗输液监控系统存在的问题，本文主要介绍一种基于嵌入式STM 32智能医疗输液监控系统，该系统分为智能输液监控装置(下位机)和远程监控平台(上位机)，通过无线WIFI模块实现上位机与下位机之间的通信。下位机的主控单元和上位机的总站监控器采用嵌入式STM32F103X单片机作为主控芯片，负责采集和处理各种信号。远程监控平台采用C#语言开发，医护工作人员通过远程监控平台，可以实现对多个房间的下位机进行监控和管理。同时，该系统在实现输液监控、声光报警、远程断液和个人信息查询等功能的前提下，尽量减少产品成本、节省人力资源、提高输液管理的工作效率，来满足医疗机构和社会的需求。

1 系统总体设计

智能医疗输液监控系统从功能结构上主要由智能输液监控装置(下位机)、无线网络传输装置以及上位机远程监控平台三部分组成。图1(a)、(b)分别给出了智能输液监控装置(下位机)、无线网络传输装置和上位机远程监控平台的系统功能组成框图。

三是有利于开辟教学新模式。借助“两微”能以更直接的方式了解学生心声，听取企事业单位意见，接受群众、家长和社会评判，有利于以开放、平等、包容的心态与学生平等交流、友好沟通，增强互动、拉近距离，让更多的人来关注会计教学工作，实现学生由被动、消极地学习向主动参与、积极融入转变，教师由呆板、枯燥的说教向积极引导、因材施教转变。

  

图1 智能医疗输液监控系统组成框图

智能输液监控装置(下位机)通过按键设定点滴的流速，同时监控系统采用红外发射接收装置来检测点滴的实时流速，当点滴的设定流速与实测流速有较大偏差时，监控系统将通过步进电机装置自动调节到设定的流速。智能输液监控系统还实时监控输液瓶的液位，当液位低于警戒线时，监控系统会声光报警，同时会向上位机远程监控平台发出信号，提醒医务工作人员及时更换输液瓶，并在上位机远程监控平台上显示地点。 同时医务工作人员可以通过上位机远程监控平台发出断液指令，控制步进电机装置关闭输液。当病人有突发情况时，也可以手动关闭输液并按下报警按钮通知医护人员前来处理。

各个房间的智能输液监控装置通过无线传输模块实现与总站监控器的数据通信，总站监控器通过USB接口与PC上位机连接，采用USB适配器PDIUSBD12使得PC上位机具有USB接口通信功能。PC上位机的远程监控平台由C#开发的实时输液监控系统软件组成，通过实时输液监控系统软件，实现PC上位机与智能输液监控装置(下位机)之间的无线数据通信，同时对多个房间的下位机进行监控和管理。

单因素试验设计是目前最普遍采用的一种试验方法设计，它仅考察一个因素对试验指标构成影响。本文首先对4种微量元素和6种发酵增效剂进行单因素考察。试验因素和水平见表1和表2。

2 系统的硬件设计

当输液瓶液位降到警戒线以下时，红外光由被遮挡变为完全照射到红外接收装置，TFMS5380的3脚产生电压跳变，跳变信号送入下位机的STM 32F103X单片机，单片机 P2. 3口输出高电平，送至声光报警电路。声光报警电路中NE555工作输出高电平，使蜂鸣器发出报警声，同时发光二极管发光报警，电路原理如图6所示。

  

图2 下位机结构框图

2.1 输液流速和液位监测电路

孔老一风一样刮进灵堂，他的出现，让所有人都以为现了鬼。待他长嚎一声，重重地跌倒在灵前不省人事，人们才相信：志浩回来了！

  

图3 输液滴速检测电路

系统软件设计分为智能输液监控装置部分和上位机远程监控平台部分。智能输液监控装置部分采用C语言编程实现，PC上位机的远程监控平台由C#语言开发。

2.2 步进电机驱动电路

输液流速的控制和输液关闭控制主要由步进电机装置和电机驱动电路组成。步进电机驱动电路主要工作原理是以STM32F103X单片机作为控制芯片，根据按键电路输入的流速设定值送到单片机，单片机将设定流速与实测的流速进行比较，控制电机驱动电路工作，从而实现步进电机的正转、反转、停止、继续和暂停5种工作状态，最终监控系统通过步进电机装置实现自动调节到设定的流速。该系统由按键电路、单片机、电机驱动电路和步进电机装置组成。电机驱动电路采用SGS公司的L298N，其内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46 V、2A以下的电机。图4给出了L298N内部H桥驱动电路的工作原理图。同一侧的两个晶体管不能同时导通。当T1、T4导通， T2、T3截止时，电流流过T1，由电机正极流入电机，再经由T4流入，此时电机正转；当T2、T3导通， T1、T4截止时，电流由电机负极流入电机，电机反转。当T1和T3或T2和T4同时导通时，电机处于制动(刹车)状态[7]。

考虑到本系统是作为医疗用途，设计中的电子元件不能直接与输液瓶内的液体接触，所以采用红外发射接收装置来实现点滴的流速测量，图3给出了输液流速检测电路。把红外发光二极管和红外接收装置TFMS5380分别放置于滴斗两侧，液滴从两管之间通过。红外发光二极管发出红外光，当无液滴滴下时，TFMS 5380中的光电管收到的光强较强，输出较强的光电流，TFMS5380的3脚输出低电平，送给STM32F 103X单片机的P1.0口；当有液滴滴下时，下落的液滴对红外光有较强的漫反射、吸收及一定的发散作用，TFMS5380中的光电管收到的光强较弱，输出较弱的光电流，TFMS5380的3脚输出高电平，送给STM32F103X单片机的P1.0口。STM32F103X单片机采用相关算法计算出每秒流过的液滴量，最后通过WIFI无线模块进行通讯将数据传送到上位机远程监控平台中[6]。

  

图4 L298N H桥驱动电路工作原理图

2.3 无线传输模块

基于上述思想设计的控制系统如图1所示。图1中，H，H0分别代表汽包实际水位和给定值；GW(s)，GD(s)分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数。

  

图5 ESP8266WIFI模块应用电路

2.4 声光报警电路

智能输液监控装置(下位机)主要由主控单元、流速检测电路、液位监测电路、步进电机装置、声光报警、无线传输模块、按键电路、显示电路等组成，其结构框图如图2所示。上位机的硬件电路主要由PC机、总站监控器、USB适配器和无线传输模块构成。其中下位机的主控单元和上位机的总站监控器采用STM32F103X单片机作为主控芯片，负责采集和处理各个信号。

智能输液监控装置将采集到的实测流速、设定流速、输液瓶液位情况、紧急报警等信息通过无线传输模块发送到上位机远程监控平台上， 医务工作人员通过观察这些数据就可以了解每个病人输液的信息。同时医务工作人员发出断液指令，通过无线传输模块送到下位机的STM 32F103X单片机，从而控制步进电机装置关闭输液。本系统选用两块ESP8266无线WIFI模块，一块与下位机的STM32 F103X单片机的串口连接作为Client端，另外一块与总站监控器的串口连接作为Server端，从而实现上下位机之间的数据传输。ESP8266具有强大的数据传输功能，其支持softAP 模式、station模式和两者共存模式，利用ESP 8266可以灵活地实现组网和网络拓扑，即可以实现一个Server端同时监控多个Client端，实现多对一的通讯。图5给出了ESP8266无线WIFI模块应用电路。

  

图6 声光报警电路

3 系统的软件设计

输液瓶液位监测原理相同，当液位降到警戒线以下时，红外光由被遮挡变为完全照射到红外接收装置，TFMS5380的3脚产生电压跳变, 通过单片机发出声光报警，同时会向上位机远程监控平台发出信号，提醒医务工作人员及时更换输液瓶，并在远程监控平台上显示地点。

智能输液监控系统软件部分主要负责数据采集和通信，其中包括流速设定、流速检测、输液瓶液位监测、步进电机驱动控制、显示和报警等功能。系统在完成初始化程序后，开始查询键盘输入状态，检测输液流速并调用流速检测子程序，并实现流速显示；同时根据实测流速与设定流速的偏差计算出电机转向及转动距离实现调节流速。控制软件采用中断处理方式，每当液滴通过，则触发中断。在中断处理程序中，进行流速计算并更新显示，并判断输液液位是否低于警戒线以下，如果低于则启动声光报警。下位机主程序流程图如图7所示。

  

图7 下位机主程序流程图

实时输液监控系统的管理界面主要由输液流速监控区、剩余容量监控区、当前系统状态值(如串口端口、波特率、输液瓶容量、WIFI连接状态)、断液按钮、个人信息、串口参数设定、液瓶容量设定和程序运行状态监控等模块组成。其中输液流速监控区显示了设定流速值和实时流速值。计算机软件系统配有数据库，数据库中录入病人的个人信息，包括病因、用药说明及输液计划等，系统具有报警和信息查询功能。此软件系统界面设计友好、易操作。当某床位输液瓶液位降到警戒线以下时，系统弹出窗口提醒，并且声音报警，同时显示地址信息。医务工作人员收到提示后，通过实时输液监控系统发出断液指令，并及时前往病房处理。

  

图8 远程监控平台管理界面

4 实验结果

智能医疗输液监控系统选用250 mL的生理盐水输液瓶进行测试。设定输液流速50滴/分，每毫升生理盐水为20滴，则设定流速为0.042 mL/s，而实测流速为0.0425 mL/s，如图8所示。每20分钟取一组数据，测试结果显示，输液流速平均误差为±1滴/分，液位报警响应延时平均时间为3.5s，系统性能稳定。

5 总结

本文设计了一种基于嵌入式STM32智能医疗输液监控系统，该系统通过下位机智能输液监控装置设置输液的流速和实时检测输液的流速、输液瓶的液位，通过步进电机装置自动调节到设定的流速。通过无线传输模块将信息及时传送到上位机远程监控平台，医护工作人员通过上位机远程监控平台实时输液监控系统，实现对多个房间的下位机进行监控和管理。同时该系统具有声光报警、远程断液和个人信息查询等功能。该智能医疗输液监控系统可方便实现多点输液、注射过程中集中监控与管理，减轻医护工作人员的工作量及监护不当造成的医疗事故。通过实验测试，该智能医疗系统具有操作方便、响应速度快、性能稳定、成本低廉等优点，有较高的实用价值和经济效益，在医疗卫生领域有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]陈章进,姚真平,张建峰.基于ZigBee技术的医疗输液监护系统设计[J].计算机测量与控制,2015, 23(3) : 797-800.

[2]潘小琴,魏鑫,赵玉乐,等.基于ZigBee无线传感器网络的输液监测系统的设计[J].计算机测量与控制, 2014, 22(8):2409-2411.

[3]聂学方.液体点滴智能监控系统的研究与设计[D].成都:成都理工大学,2010.

[4]陈 宇,王 玺.基于光电技术智能输液监控系统设计[J].核电子学与探测技术,2009,29 (5):1149-1154.

[5]康 冰,林智远,汪 鹏,等.基于ZigBee的静脉注射智能远程监控系统[J].吉林大学学报, 2016,34 (2):186 - 191.

[6]孔雪卉,张慧芬,焦婷婷.一种智能输液控制系统的设计[J]. 国外电子测量技术,2014,33 (6):73-77.

[7]丑 灿,许建明.步进电机驱动电路的设计[J].电子世界,2013(4): 56.