基于 STR-30的无线静脉注射监控仪设计

摘要：运用无线通信技术，设计了由微处理器、传感器和STR-30无线通信模块组成的静脉注射监控仪，实现了全自动、无线、实时监控静脉注射的全过程；无线静脉注射监控仪不仅高效、安全，而且推进了医疗信息的数字化. 

关键词：无线通信技术；医疗信息数字化；红外传感器

中图分类号：TN92                                                文献标志码：A

Design and Implementation of the Monitoring and Controlling System of Intravenous Injection Based on STR-30

Abstract:  An  intravenous  injection monitoring  system  involving wireless communication  technology, sensors, and STR-30 can accomplish the completely automatic, wireless and instant monitoring of the whole process of intravenous injection. It is safe and efficient and can digitize medical information.  

Key words: wireless communication technology; digitization of medical information; infrared sensors

在医院临床实际工作中，常用静脉注射为患者治疗.  由于静脉输液过程时间长，有些患者在输液过程中会不自觉进入睡眠状态，还有些重症患者根本没有自主行为能力，不能主动观察输液过程，这样很容易造成监护过程中信息沟通不及时，特别是当液体输完时，如病床旁没有医护人员或陪护及时换药或处理，将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况，轻则延误治疗，给患者造成痛苦，重则危及患者生命安全，甚至引发不可弥补的医疗事故.  鉴于此，有些医院在病区特设 1～2 名输液巡检护士，但由于患者分散在各个病房，输液全程时间长，护士不可能陪护在每个患者身边，服务只能勉强到位，且人员成本高、效率低.  为改变传统的静脉注射监控方式，本文针对医院实际需求，采用单片机、光电传感器、无线发射与接收等现代技术[1-2]，设计一种无线静脉注射监控仪对患者输液过程进行自动监控，以实现液滴速度检测、报警等多项功能. 

1系统设计

1.1系统的主要功能

系统的主要功能有：设定点滴速度范围、点滴时间、床号；实时显示液滴速度；当输液结束或出现输液异常时（过快、过慢或停止）自动报警；配有温度传感器，对病人体温进行测量和无线传送；分布式主、从站设计，实现输液远程监控. 

1.2   方案设计

以医院护士工作站的计算机为主站，从站采用微控制器 AT89C52 作为控制和数据处理的核心，主站和从站之间采用无线通信方式[3-4]；从站由光电传感器检测液位和液滴信号，液滴速度通过数码管显示，当意外导致液位低于预设高度，或者实际的液滴速度过快或过慢时，液位和液滴检测电路向单片机传送报警信号，蜂鸣器报警或由继电器进行有线报警，并通过 STR-30 无线通信发射模块把报警的房号、床号发送到主站进行报警；当完成预定输液量时，从站单片机发出预警信号，再由主站传送到护士 PDA 发出预警信息.  从站既可与主站通过串行通信构成监护网，也可单独完成对输液速度和液面的检测控制及故障报警.  该装置还可以进行其他功能的扩展，如温度传感器、驱动控制系统，其系统组成框图见图 1. 

1.3   电路设计

1.3.1  STR-30 无线通信模块

STR-30使用2.7~5.5 V直流电源，也可以与其他系统设备共用电源，但要选择纹波系数较好的电源，工作时发射电流 mA 40 ≤ ，接收电流 mA 30 ≤ ，休眠电流 µA 20 ≤ ，工作在ISM频段，频率范围为430.2~434.7 MHz，调制方式为FSK/GFSK，信道数为8信道，接收灵敏度为-118 dBm. STR-30的通信信道为半双工工作，最适合单点对多点的通信方式.  为此，先将护士站的服务器设置成主站，病房其余数据采集点设为从站，每个从站都编1个唯一的地址，包括楼号、病房号、床位号.  通信协调完全由主站控制，主站采用带地址码的数据帧向所有从站发送数据或命令，各从站将接收到的地址码与本从站的地址码比较，若接收到的地址码与本从站的地址码不符，则将数据全部丢弃，不做任何响应；若接收到的地址码与本从站的地址码相符，则证明该数据或命令是发送给本从站的，它将根据传来的数据或命令做出相应的响应，然后将需要传输的数据发送回主站.  这些工作都需要上层协议来完成，并需保证在任一瞬间，通信网中只有1个电台处于发送状态，以免相互干扰. 

STR-30提供1个9针的连接器，各引脚的功能定义如表1所示，接口功能如图2所示. 

1.3.2   数据采集与处理电路

为了测试仪器能否准确地判断异常情况并进行报警，对设置的输液最大允许滴速、最小允许滴速、滴液体积等相关数据进行测试，并对液面进行报警测试.  报警方式有报警灯亮、蜂鸣器响、有线和无线报警 4 种，它们的区别在于报警发送的内容不同.根据医院实际情况和要求，本设计采用无线报警、有线报警、蜂鸣器报警和灯光报警等多种报警途径.  无线报警：通过无线模块 STR-30 把信息传输到主机（PC 机），经计算机处理后，还可再经过主机传输到护士的 PDA，让护士随时随地了解到病人输液情况；有线报警：利用已有的床头按铃呼叫系统，用单片机通过继电器来控制按铃呼叫系统；蜂鸣器报警：仪器盒内的蜂鸣器不仅可以作为设置时按键按下的提示声音， 还可以用来给病人或附近护士进行报警（10 s）.  灯光报警选红色 LED 灯，当仪器非正常工作时以闪烁（10 s）的形式指示和报警. 

信号检测与处理电路见图3.  图中“YW”、“DS”、“T”和“SIP2-2”分别是液位、滴数、温度和脉搏数据的输入端.  输液滴数、 液位数据由光电耦合[5]电路采集， 体温由数字温度传感器采集， 采集的数据通过单片机处理[6-8].  当输液滴数达到预警数值时，发出预警信号；当输液滴数达到报警数值时，单片机通过有线、无线、声音和发光管的方式发出报警信号.  无线报警信号由工作站存储并实时发送到当班护士的 PDA，收到返回信息后结束报警.  图3  信号检测与处理电路

2   系统软件设计

2.1   信号检测与处理主程序

系统软件主要由功能键判断，输液滴数检测、预警、报警，输液位报警，体温检测，脉搏检测及 STR-30 无线通信模块驱动等子程序组成，主程序流程见图 4.  其中，系统初始化子函数如下：

void init()//初始化子函数

{ 

 Y0=0;Y1=0;Y2=0;Y3=0;//开始 LED 不显示

 jd=0;fm=0;con=1;//dcf=0;//控制位输出为 0

 sd=1;ym=1;//输入初值为 1

 sleep=0;//高电平有效>15ms

 reset=1;//低电平有效>10ms

 tempda=200;a=600;temptj=500;//初值

 n=7500;

 flag=0;flag0=0;flag1=0;a5=0;b=0;//flag 值为 1 时允许相关操作

 temp1=0;

 TMOD=0x21;//设置定时器 0 为工作方式 1，定时器 1 为工作方式 2

 TH1=0xfa;//f=2*11059200/[32*12(256-TH1)]

 TL1=0xfa;//9600 bit/s

 TR1=1;//启动定时器 1

 REN=1;//允许串行接

 SM0=0;//工作方式 1，

 SM1=1;//十位异步接收，八位数据

 TH0=(65536-10000)/256;

 TL0=(65536-10000)%256;

 EA=1;//开总中断

 EX0=1;//开外部中断 0

 IT0=1;//下降沿触发有效

 EX1=1;//开外部中断 1

 IT1=1;//下降沿触发

 ET0=1;//开定时器 0 中断

 ES=1;//开串口中断

}

2.2   通信子程序

发射终端主要负责采集与患者静脉输液相关的数据，通过 STR-30 无线通信模块，将数据发送到护士工作站，通信子程序流程图见图 5. 

程序启动后首先检测是否有功能键按下，若此键已按下，则跳过读取相关数据子程序，取而代之的是延时等待.  等待的时间与读取滴数、液位等数据所用的时间相当，这样不论功能键是否按下，数据更新的速度不会相差太大.  读取的数据通过无线通信模块发送到护士工作站.  当工作站接收终端收到完整的一帧数据时，将会返回一个应答代码给发射终端.  若发射终端在发送完一帧数据后没有收到应答代码，说明这帧数据传输失败，系统将自动重启无线发送程序. 

2.3数据帧结构

无线数据通信的信息包含静脉注射的滴数、液位、体温及告警等数据.  通信数据帧包括数据中的帧头、帧尾及“握手”信令、从站机身份信息、排队信息、前后数据帧之间的约束信息等，结构如图 6 所示. 

当收到帧头信息时，系统首先识别“握手”信令和“身份” ，再判别数据帧长度，然后接收数据类型等信息，确认后即接受后续信息并做相应的数据处理.  当收到帧尾信息时，系统将接收信息保存，同时恢复信令给下位机，本帧信息接收完毕.  图 6 数据帧中的“D”是 实际数据，分别是滴数、液位、体温或脉搏等信息.  由于这些数据不会同时出现，因此传送数据时不会发生冲突. 

2.4   数据接收流程

上位机通过串行通信接口与STR-30 无线数据传输模块链接，串行接收数据流程图如图 7所示. 上位机通常处于“待命”状态，当接收到下位机数据发送的请求时，上位机将给予回复，若上位机处于“繁忙”之中，则发出“繁忙” 信息， 下位机将重发信息.  上位机接收到完整的信息后发送相应的应答信息，结束本次数据传输，进入待命状态. 

3  结语

     基于 STR-30 的无线静脉注射监控系统集光电检测、无线通信、报警等多项功能，通过实际使用表明：该监控系统实现了非接触式的双重探测、双重保险，对病人输液过程进行 24 h 自动监控，实时报警和提示各种突发和危险情况等功能；系统可将接收到的相关数据进行存储，报警信息由护士工作站的主机通过无线电方式传送到护士随身携带的 PDA 上，使值班护士能及时掌握患者静脉输液的实时信息；另外，系统还预留了接口扩展的功能.  

参考文献

[1]  梁维铭.  输液速度自动测控系统[J].  广西科学院学报，2002 (11): 35-38.  

[2] MATSUMOTO T, KITAGAWA Y, ADACHI M, et al . Profile measuring method based on reflection 1 characteristics at a critical angle in a right-angle prism[J]. Applied Optics, 1991, 30(22): 3 205-3 209.  

[3]  何立民. MCS-51 单片机应用系统设计：系统配置与接口技术[M].  北京：北京航空航天大学出版社，1999. 

[4]  孙媛媛，赵秋生，肖静敏.  新型自控输液器的研制[J].  天津医科大学学报，2001, 7(2): 196-197.  

[5]  FAINMAN Y, LENZ E, SHAMIR J. Optical profilometer: a new method for high sensitivity and wide dynamic 1 range[J]. Applied Optics, 1982, 21(17): 3 200-3 208.  

[6]  何立明.  单片机原理教程 A1BC[M].  北京：北京航空航天大学出版社，2002. 

[7]  陈得宝，魏华，张亚萍. 89C52 单片机在输液装置中的应用[J].  自动化与仪器仪表，2004, 10(4): 32-34.

[8]  李华. MCS-51 系列单片机实用接口技术[M].  北京：北京航空航天大学出版社，2002．

[9]  上海桑博电子科技有限公司STR30使用说明书http://www.sendbow.com