stm32开发医疗输液设备的监控系统

    静脉输液是最常用的医疗手段，保障输液疗效和安全是重要的一项任务。目
前在大多数的医院里仍然使用人工方式监视整个输液过程，不仅增加人力消耗和
工作负担，也常因人工操作失误而出现事故。在医院经常能看到房间里坐满了输
液的病人，多名医护人员为保证输液安全来回奔波，工作效率低。一些需要长期
输液的病人，医护人员和家属常常日夜守护，更是耗费心神。物联网技术的发展
推动了医疗服务的信息化智能化升级，本文基于新兴的低功耗广域LoRa无线通
信技术，设计一种无人值守智能输液远程监控系统，实现滴速自动控制、滴速异
常和滴完报警、滴完自动截停、语音提醒、一键呼叫、二维码信息验证等功能。

    整个监控系统分为监控终端、移动手持端和服务中心三部分。监控终端用于
采集输液现场数据并对异常情况报警，其采用红外检测技术对药水滴落进行识别，
通过对液滴计数来计算余量，以此来判断输液是否结束;通过定时器对相邻两液
滴的间隔计时，来计算滴速;通过步进电机传动机构挤压输液管来控制滴速。移
动手持端由医护人员随身携带，用于接收监控终端传来的信息，以及对病人信息
验证，防止输错药水。服务中心接收全网数据，直观显示与病人和输液状态相关
的信息，方便对监控系统管理。监控系统各部分之间使用LoRa无线技术进行通
信，采用星型网络结构，针对大医院输液多，监控终端多的情况，作者设计了适
合LoRa网络的数据传输防碰撞算法，改善了LoRa网络吞吐量、延时和功耗等性
育昌。

    目前，大多数的医院仍然是由医护人员凭借临床经验手动调节输液滴速，由
患者、家属或医护人员用眼睛监视输液过程。人工监视输液不仅增加了人力资源
消耗和劳动强度，也容易因人为情况而出现安全隐患【8]。因此，利用先进的物联
网技术，设计智能的无人值守输液远程监控系统，来提高医院工作效率，减轻医
护人员工作强度，节约医疗资源，意义重大。本文研究的的意义体现在三个方面:
其一，提高医院护士的工作效率，降低医疗事故，护士可在服务中心精确掌握病
人的输液状况，并能准确做出回应。其二，病人无需时刻关注输液瓶里的药水剩
药提
余量及药水滴速，给病人提供一个相对轻松的环境。其三，系统对所有病人、
水和输液设备建立一个完整的数据库，服务中心对所有信息综合管理和控制，
高静脉输液医疗智能化水平。

    在上世纪九十年代，国外己开始对静脉输液无人监控进行了探索，电子和计
算机信息技术的发展，促使监测方案不断更新，经历了机械式、电极式、电容式、
和光电式几个阶段[fll。机械式监测利用弹簧形变获取药水的重量变化，但是结果
计算复杂，误差大且弹簧机械结构不易维护，很快被淘汰。电极式监测需要在输
液管中插入正负电极，这种装置结构复杂、性能差、而且与药水有接触，未得到
广泛应用。电容式监测需要在药水瓶外围附着铜箔，根据电容变化判断输液状况，
但受药水成分和药水瓶形状限制，使用不方便。随着传感器技术不断更新，目前
常见的是称重式和光电式监测方式【i6}。称重式监测是通过重力传感器测量一段时
间内药水的变化量，来判断输液相关状态，这种方式精度低，可靠性不高，并没
有大量使用。光电式监测是在输液管两侧安装红外对管，药水经过会衍射红外光，
系统检测红外接收管的电脉冲变化，能实现对药水滴落的检测。光电式方案避免
与药水接触，且信号检测可靠，控制精度高，操作简单，是目前广泛应用的方式

    静脉输液监控在医疗水平高的发达国家发展迅速，技术成熟，产品在医院里
普遍应用，典型代表是智能输液泵，在输液监控中高端市场占据领先地位，设备
精度高，可靠性强，智能化信息化水平高[fl}l。知名产品有德国B.Braun公司研发
的Infusomat系列输液泵，其输液速度控制范围为0. O 1 ml/h至300m1/h，控制精度
为2%;美国的GeminiPC ZTX型输液泵，具备多路输液控制功能;日本的泰尔茂
系列输液泵，控制精度可达4%;另外还有日本JMS的OT系列和以色列Bodyguard
系列输液泵，性能也很强大。

    我国输液监控技术的研究起步于20世纪90年代，主要采用称重式和光电式
监测方式，目前国内的中高端精密输液监控产品造价昂贵，医院配备数量少，主
要给高危患者监护使用，性价比不高[ys};低端市场产品性能不稳定、功能单一、
技术落后，难以满足临床输液监测的需求，因此没有在医院大量推广和使用[[4]
常见的一款国内产品为深圳联新公司的全闭环智能输液管理系统，与医院信息管
理系统无缝对接，通过临床移动终端、智能输液监测器、蓝牙物联网中心，实现
医院输液流程，包括开立医嘱、审核、核对配药和巡视输液等流程全闭环信息化
管理;但是使用称重式监测方式，精度不高，不能对滴速自动调节，蓝牙无线网
络部署不方便，成本高，灵活性差。另一款类似产品为芙韵牌输液报警器，使用
光电式监测方式，通过WiFi网络传输报警信息至监控中心，也不具备滴速自动
调节功能。还有一些价格便宜的输液监控产品，功能单一，只能现场报警，不能
组建网络远程集中控制。
    物联网产业不断发展，传感器和通信技术不断更新，智能输液监控系统从最
初的单机控制逐渐发展为集中式管理和控制[[5]，要求设备功能全面实用，安装使
用便捷，工作可靠，操作智能。未来发展趋势为建立一个能够处理整个输液过程，
包含病人、药水和输液记录数据库的综合型监控系统，能够动态的监控病人整个
输液过程，对病人治疗信息记录存储，实现智能化和信息化的医疗输液服务[[43]

    医院输液现场，无线信号传输受建筑物和电磁医疗设备干扰;用户期望设备
体积小，使用便捷，功能更富。鉴于此，本文研究基于低功耗广域LoRa技术的
智能输液监控系统，实现输液现场无线网络全面覆盖，输液状态数字化采集，信
息无线远距离可靠传输及智能化的监控应用中心，最终达到对整个输液过程智能
化监控管理的目的。
    通过对目前输液监控市场调研，本文将针对以下问题研究:
      C1)解决当前国内市场输液监控产品功能少，成本高，信息化和智能化程度
低，产品未得到广泛应用问题。
    C2)使用新兴的低功耗广域LoRa网络代替现有的ZigBee无线传输网络，
低功耗与远距传输兼得，组网便捷，且抗干扰能力强[Ll
      C3)针对LoRa星型网络结构，设计数据传输防碰撞机制，降低延时，增大
网络容量，延长网络寿命[fill
    根据上述研究内容，总结出课题研究的难点如下:
      C1)输液异常状态能被准确识别，不受药水成份、输液管材料和环境光照的
影响，保障检测精度。
      C2)数据高效远距无线传输，不丢包，实时性高，报警准确可靠传达，避免
医疗事故。
      C3)服务中心上位机管理软件，能对病人、药水和输液设备信息综合管理和
控制，提高医疗服务信息化程度。

    药水监测主要包括滴速和余量监测，目前主流的是非接触式监测方式，无需
与药水接触，更安全卫生，常见的非接触式监测方式有称重式和光电式两种[[41 ]
    方案一:称重式监测。该方案使用重力传感器测量药水的重量，使用时将药
水瓶挂在监测装置重力传感器挂钩上，根据重量换算成药水的余量，根据单位时
间内重量的变化量测量药水的滴速。该方案实现药水非接触检测，结构简单，但
是测量精度低。
    方案二:光电式监测。该方案使用红外对管，使用时将红外对管置于输液器
滴壶两侧，如图2-1所示，当有药水从中间经过时，红外接收管上的电压会产生
变化。通过检测电压变化判断是否有药水滴落，对己滴落药水计数来检测余量，
测量两相邻液滴时间间隔来计算药水滴速。该方案测量精度高，尺寸小，便于安
装，因此本文采用红外对管来监测药水。

    蓝牙(Bluetooth)技术诞生于1994年，现由蓝牙技术联盟(SIG)管理，目
前己发展到4.2版本。蓝牙4.0开始集传统蓝牙技术、低能耗技术和高速计数于一
体，与3.0版本相比最突出的亮点是低功耗，功耗较老版本减少了90%。低功耗
版本蓝牙使蓝牙技术由手机、耳机和汽车等传统应用延伸到一些电池供电的新兴
市场应用，为智能穿戴、智能医疗等新领域的终端设备短距通信奠定基础。其传
输速率通常为1Mbps，通信距离短，组网能力较弱，适用于移动设备点对点无线
短距数据传输场合。
    WiFi是工作在2.4GI}频段中短距离无线通信技术，速率最高可达到11Mbps
传输距离通常为100m左右。WiFi技术拥有宽电波覆盖能力，使得它在家庭和办
公网络中备受青睐，是移动终端目前联网的主要途径。WiFi技术以大数据高带宽
传输优势见长，具有信号覆盖范围较广，传输速率快的特点;但其组网能力较差，
功耗较大，不适合含有较多数据采集终端的应用。
    ZigBee无线网络工作在2.4GHz频段，利用直序扩频方式，优势在于组建Mesh
网络拓扑，能够建立容纳65000个终端节点的局域网络。它的多跳自动路由机制
可以进行动态组网，能将传输距离扩展至几千米[38]。Mesh网络能进行多通道多
跳路由通信，若某个节点出现故障，数据可自动选择其它节点传输，即具备自组
织和自愈能力。ZigBee传输速率在20-250kbps范围，组网灵活;但若想扩大网络
覆盖范围，需要增加中继，会使网络组网变得复杂;因此，适合于低数据传输速
率、较多采集节点、数据规模小的局域网应用。
    LoRa是是美国Semtech公司推广的一种LPWAN通信技术，基于直序扩频技
术，FHSS跳频技术和前向纠错FEC技术，提供无线超远距离传输方案。这一方
案改变了过去关于能耗与通信距离只能二选一的困境，为客户提供简单便捷的长
电池寿命，又能远距离传输，且支持海量连接的系统组网方案[[ 14]。目前，LoRa
主要运行频段包括433,  868,  915Mhz，相对其他几种无线技术，功耗和传输距
离性能更优，且组网便捷，适合星型组网，安装维护方便。因此，本文采用LoRa
技术组建星型无线传输网络。

    控制器担任整个监控系统的任务指挥者，要求具备高稳定性、高性能、低功
耗、开发便捷的特点[[42]。控制器需要实时处理采集的输液现场数据、报警显示及
无线传输，系统实现的功能比较丰富，需要用到多个功能模块;这就要求控制器
具备丰富的引脚接口、较高的运算速度及快速的中断处理能力，还需考虑控制器
的功耗和成本。目前主流的控制器有51, AVR, MSP430, DSP及STM32系列控
制器。
    本系统实时性要求高，异常情况需要在5秒内传达至监控中心;功能实现用
到语音，LoRa ,  LCD液晶显示屏等模块，这些模块要占用控制器通信接口
  (USART, IIC和SPI等)和大量I/O引脚;而51,  AVR和MSP430系列控制器
时钟频率低，一般为16MHz左右，CPU任务处理速率低，且I/O引脚少，片内
硬件资源少，适合用于功能不多的低端场合，对于本系统不适合。DSP和STM32
系列控制器都具有高速时钟频率和丰富硬件资源，常用于中高端产品研发;DSP
控制器优势在于强大的运算能力，常用于数字信号处理，本系统功能不需要复杂
数**算，使用STM32控制器足以完成，能降低硬件成本，综合考虑本系统选
用STM32控制器。STM32是32位的基于ARM Cortex-M内核的微控制器，具有
高性能，实时性强，低功耗，接口资源丰富等优点，易于开发。
    监控终端语音和LoRa模块需要2个USART接口，红外对管电路需要1个
A/D接口， OLED显示屏需要1个IIC接口;移动手持端终端语音、LoRa模块和
二维码引擎需要3个USART接口，LCD触摸屏需要大量I/O引脚;服务接收端
语音和LoRa模块需要2个USART接口，与PC串口通信需要1个USART接口。
根据监控系统各部分所需的硬件资源不同，监控终端和服务接收端选用
S TM32F 103 C8T6型号，移动手持端选用STM32F 103RCT6型号，两款型号STM32
控制器硬件资源如表2-2所示。

    监控终端用于对药水下落进行识别，进而检测药水的滴落速度及判断是否滴
完[[44]。其上设有蜂鸣器，语音播报，指示灯，呼叫按键，滴速控制和无线通信模
块。指示灯闪烁频率和药水滴落频率一致，指示灯绿色表示输液状态正常，红色
表示输液出现异常情况。当药水滴落过快或滴完，语音模块提示报警，滴速控制
模块自动截断输液，同时无线模块远程通知服务中心。呼叫按键用于病人输液进
程中随时主动呼叫医护人员。
    移动手持端随身携带使用，带有显示屏，语音，无线通信和二维码扫描模块，
医护人员不在监控服务中心也能收到信息。显示屏将接收的各类数据显示出来，
通过语音模块提醒。二维码扫描模块对病人，药水及监控终端上的二维码信息进
行验证，确保三者信息匹配，避免出现给病人输错药水的隐患[[45]
    服务中心包括服务接收端和PC监控平台，服务接收端是系统无线网络的中
心节点，接收所有监控终端上传的信息，PC监控平台对病人、药水及监控终端综
合管理和控制。服务接收端包括语音和无线通信模块，无线模块接收全网的信息，
语音模块对重要信息语音提醒医护人员。
    系统设计思想:利用红外对管检测药水滴落，当有药水从红外对管中间经过
时，红外接收管输出引脚上的电压会发生大幅度变化。通过微控制器MCU的AD
转换将电压信号量大小转换成数字量，计算电压变化幅度，从而判断是否有药水
低落。通过MCU定时器测量相邻两滴间隔时间，来判断药水滴落快慢。使用二
维码存储病人、药水和监控终端设备信息，通过扫码获得信息与数据库数据比较，
信息吻合设备才工作。监控终端、移动手持端及服务中心三者间的通信使用低功
耗广域网传输技术，三者之间按照制定的通信协议进行数据传输。

    LoRa无线网络整体上是以星型结构的模式工作，中心节点轮询访问自身轮询
队列里的节点，接收上传的数据，节点服务结束后会从队列里删除，其他节点要
通过竞争的方式加入中心节点轮询队列。突发数据实时性要求高，节点直接请求
加入中心节点轮询队列上传数据。周期数据实时性要求低，先传给簇头节点，簇
头节点再加入中心节点的轮询队列将汇总的数据上传，每个子网相互独立并行运
行。