基于ZigBee的無(wú)線輸液監(jiān)控方案

在醫(yī)療系統(tǒng)中，病人在輸液過程中的監(jiān)控問題，一直是護(hù)士和病人關(guān)心的問題，一但監(jiān)控失誤就會(huì)使空氣進(jìn)入人體的血液系統(tǒng)，造成嚴(yán)重的后果，甚至?xí)够颊咚劳觥，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)，多采用有線技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。這類方案的特點(diǎn)是擴(kuò)展性能差、布線繁瑣、移動(dòng)性能差。由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、磨損，故障發(fā)生率較高。采用無(wú)線傳輸方式構(gòu)建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可以避免這些問題。相對(duì)而言，無(wú)線的方式比較靈活，避免了重新布線的麻煩，網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施不再需要隱藏在墻里，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)移動(dòng)或變化的需要；但是，無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少。這主要是因?yàn)槟壳皼]有一項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)適合在醫(yī)院輸液監(jiān)控領(lǐng)域進(jìn)行廣泛地推廣，而且現(xiàn)有的無(wú)線通信產(chǎn)品的價(jià)格偏高，導(dǎo)致無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用停滯不前。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)就解決了這些問題。將無(wú)線ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制相結(jié)合，可以有效地實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。正是由于ZigBee技術(shù)具有功耗極低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)方式靈活、成本低、等待時(shí)間短等性能，相對(duì)于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

　　1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　1.1　點(diǎn)滴速度與儲(chǔ)液面檢測(cè)

　　采用紅外光電傳感器測(cè)量點(diǎn)滴速度。當(dāng)液滴滴下時(shí)，紅外光電傳感器發(fā)射的光透過液滴后強(qiáng)度發(fā)生變化，光電接收管接收強(qiáng)度變化的光信號(hào)后輸出變化的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過放大、整形后被轉(zhuǎn)化為TTL電平信號(hào)，送單片機(jī)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量點(diǎn)滴速度。該傳感器具有體積小、靈敏度高、線性好等特點(diǎn)，其外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。

　　采用電容傳感測(cè)液位。在儲(chǔ)液瓶的瓶身正對(duì)著貼兩片金屬薄片作為傳感電容，儲(chǔ)液液面下降，電容兩極之間的介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經(jīng)過電容/電壓變換器后輸出電壓上升。當(dāng)儲(chǔ)液液面降到警戒線時(shí)，轉(zhuǎn)換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號(hào)。C/V變換電路具有優(yōu)良的線性度，較高的變換靈敏度與抗干擾性能。

　　1.2　無(wú)線傳輸模塊

　　從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邏輯功能上，ZigBee設(shè)備可以分為終端設(shè)備（enddevice）、路由節(jié)點(diǎn)（router）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PANco-ordinator）；從設(shè)備的功能性上區(qū)分，可以分為全功能設(shè)備FFD（FullFunctionDevice）和簡(jiǎn)約功能設(shè)備RFD（Re-ducedFunctionDevice）［4］。其中，全功能設(shè)備可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由結(jié)點(diǎn)或終端設(shè)備，而簡(jiǎn)約功能設(shè)備只能充當(dāng)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。因此，從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)上分析，ZigBee醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)集中器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；數(shù)據(jù)集中點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)；無(wú)線傳感器是終端節(jié)點(diǎn)，根據(jù)傳感器安置的位置，也可設(shè)為路由節(jié)點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多支持65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，完全可以滿足需要。

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

　　2.1　數(shù)據(jù)接收端

　　數(shù)據(jù)接收端使用相同的無(wú)線收發(fā)模塊，并利用RS232異步串口與PC機(jī)通信。其功能相當(dāng)于一個(gè)接入點(diǎn)，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號(hào)以無(wú)線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2　數(shù)據(jù)采集端

　　1）點(diǎn)滴速度測(cè)量模塊

　　該部分采用紅外傳感器測(cè)量點(diǎn)滴速度，所用光電檢測(cè)器型號(hào)是ST-178紅外發(fā)射接收對(duì)管。光電接收器件內(nèi)部LED的P-I特性為：

　　P=Ne*Ni*h*v*I/q，

　　式中：Ne表示外量子效應(yīng)；Ni表示內(nèi)量子效應(yīng)；I為注入電流；q為過流時(shí)的電量。

　　把紅外發(fā)射和接收管正對(duì)著固定在滴斗兩側(cè)，當(dāng)液滴滴下時(shí)，紅外發(fā)射器發(fā)出的光信號(hào)透過液滴時(shí)接收端光功率發(fā)生變化，光電接收管將變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為變化的電信號(hào)，由于電信號(hào)非常微弱，應(yīng)放大到一定程度且通過積分電路消除干擾，再經(jīng)比較器整形得到與點(diǎn)滴同頻的方波。經(jīng)STC89LE516AD單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，得到點(diǎn)滴速度。電路原理如圖2所示。

　　圖2　點(diǎn)滴速度測(cè)量檢測(cè)模塊原理圖

　　2）儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊

　　數(shù)據(jù)采集端利用電容式傳感器，測(cè)量吊瓶中的液體存量，并把采集到的數(shù)據(jù)傳至無(wú)線發(fā)送模塊。由無(wú)線發(fā)送模塊把信號(hào)傳至監(jiān)控中心。原理圖如圖3所示。

　　圖3　儲(chǔ)液液面檢測(cè)模塊原理圖

　　電容、電壓變換電路原理說明如下：

　　波形輸入的正半周由于被限幅，負(fù)半周時(shí)導(dǎo)通，在輸入波形的正半周，輸入波形被限幅在0.7V，波形以-E跳變至0.7V.利用電容電壓特性曲線在儲(chǔ)液瓶的瓶身貼兩塊金屬薄片作為傳感電容，儲(chǔ)液液面下降，電容兩極間介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經(jīng)過電容電壓變換器輸出后電壓上升。當(dāng)儲(chǔ)液液面降到警戒線時(shí)，此時(shí)測(cè)量所得電容值約為43pF，調(diào)整回差比較器閾值電壓使其低于電容電壓變換器輸出電壓值，比較器翻轉(zhuǎn)輸出開關(guān)信號(hào)，通過STC89LE516AD單片機(jī)檢測(cè)傳給無(wú)線發(fā)送模塊。

　　3）無(wú)線傳輸模塊

　　采用CC2500ZigBee模塊，CC2500是一款低成本、低功耗、高性能的無(wú)線收發(fā)芯片。其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段；具有良好的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力；在休眠模式時(shí)僅0.9？？A的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6？？A的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CS-MA/CA功能；電壓為（1.8～3.6）V;在傳輸模式下，當(dāng)輸出功率為-12dBm時(shí)，電流消耗為12mA.CC2500的接收器敏感度為-101dBm（在10kbps時(shí)）；最大輸出功率為0dBm，數(shù)據(jù)速率可在（1.2～500）kbps之間變化；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)MAC計(jì)時(shí)器、1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。

　　系統(tǒng)工作原理：當(dāng)傳感器測(cè)試到液體存量信號(hào)和點(diǎn)滴速度時(shí)，由無(wú)線傳輸模塊把信息發(fā)送至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的有關(guān)規(guī)則（例如：設(shè)定液體存量為多少時(shí)報(bào)警，提醒醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)護(hù)措施），將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)膱?bào)警動(dòng)作指標(biāo)，相應(yīng)地發(fā)出報(bào)警。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)提示進(jìn)行操作。

3　軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端程序組成，均包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對(duì)單片機(jī)、射頻芯片、SPI等進(jìn)行處理；發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過單片機(jī)SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理。接收端軟件流程如圖4所示，數(shù)據(jù)采集端軟件流程如圖5所示。

　　圖4　接收端軟件流程圖

　　圖5　數(shù)據(jù)采集端軟件流程圖4　調(diào)試與測(cè)試

        4.1　調(diào)試

　　1）硬件調(diào)試

　　儲(chǔ)液液面檢測(cè)電路的調(diào)試。調(diào)試時(shí)，液滴滴下，液面水位降低，傳感電容值減小，當(dāng)液面降到警戒值時(shí)，傳感電容數(shù)值經(jīng)電容/電壓轉(zhuǎn)換后得到對(duì)應(yīng)的電壓值，根據(jù)電壓值調(diào)節(jié)電位器以調(diào)整回差比較器限值。點(diǎn)滴速度檢測(cè)及控制電路的調(diào)試。用秒表人工測(cè)量點(diǎn)滴速度，與預(yù)先設(shè)定的點(diǎn)滴速度比較，若誤差在指定的范圍外則用反復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法改變軟件算法所設(shè)參數(shù)來(lái)控制液滴的流速。

　　2）軟件調(diào)試

　　軟件系統(tǒng)很大，調(diào)試比較復(fù)雜。須通過仿真機(jī)來(lái)調(diào)試，采取的是自下而上的調(diào)試方法，即單獨(dú)調(diào)試好每個(gè)模塊，然后再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試，成功后下載到單片機(jī)統(tǒng)調(diào)。

　　3）軟硬聯(lián)調(diào)

　　軟件和硬件之間的聯(lián)系緊密，硬件測(cè)量完畢后，將數(shù)據(jù)送單片機(jī)分析、計(jì)算、控制。

　　4.2　指標(biāo)測(cè)試

　　1）點(diǎn)滴速度測(cè)試

　　通過主機(jī)和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)定滴數(shù)，用兩個(gè)秒表定時(shí)，一個(gè)秒表用于測(cè)定每分鐘滴數(shù)，另一個(gè)秒表用于測(cè)定系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定滴速并穩(wěn)定的時(shí)間，見表1.

　　2）通信系統(tǒng)測(cè)試

　　采用主機(jī)與終端的多級(jí)半雙工通信，完成主機(jī)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和控制功能。開機(jī)時(shí)，終端設(shè)定終端號(hào)，主機(jī)對(duì)各終端進(jìn)行查詢，如果在規(guī)定的時(shí)間無(wú)響應(yīng)，則認(rèn)為終端為關(guān)閉狀態(tài)，見表2～表5.

　　根據(jù)測(cè)試所得數(shù)據(jù)分析本系統(tǒng)，可在設(shè)定范圍（20～150）滴/min內(nèi)對(duì)點(diǎn)滴速度進(jìn)行控制，各種情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間均小于3s;同時(shí)，系統(tǒng)主機(jī)終端通信功能正常。

　　5　結(jié)論

　　基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)療輸液無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地采集輸液吊瓶液體存量信息，并通過無(wú)線傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一個(gè)功能完善，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)將得到推廣和應(yīng)用。具有低功耗和低成本的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的ZigBee系統(tǒng)將會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)取得更大的發(fā)展。