【毕业论文】便携式智能化输液报警系统设计

论文题目便携式智能化输液报警系统设计姓名学号摘要随着社会的发展，人们对健康的需求越来越高，所以要求医院的品质也在逐渐提高。这就导致医务人员的工作压力越来越大，本设计就是减轻医务人员劳动量设计的。现在医院中对输液的记录方式还是传统的人工记录，都是由护士或者医护人员对输液病人的输液情况进行记录，这种工作方式在患者过多的时就会显露出缺点。由于病人的数量过多而且各自的情况不一样，所以护士和医生的工作量特别的大。当有病人呼叫时，护士要放下手中的工作到护士站去接听呼叫，查看病例，然后实施换药或拔针。这种方式无形中增加了护士工作量，而且工作效率极低，如果耽误太长时间，病患也许就会发生危险。本设计主要是针对这个问题的，首先是检测点滴液面，利用无线传输相关信息从而达到报警的作用。然后在护士身上的可移动接收端可以根据无线接收的信息做出反映，为病人及时的换药或者拔针，节省了时间，增加了工作效率。同时还可以将房间的号码、呼叫的时间存储以及打印出来以备查询。做到可查询，无遗漏。本设计将医生和护士从复杂的记录数据中解放出来，从而提高了工作效率。关键词点滴液面检测；提高工作效率；无线传输；可移动接收端；TITLEPORTABLEINTELLIGENTTRANSFUSIONALARMSYSTEMDESIGNABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFSOCIETY,PEOPLEINCREASINGLYHIGHDEMANDFORHEALTH,SOTHEYREQUESTEDTHATTHEHOSPITALSQUALITYISGRADUALLYIMPROVINGTHISLEADSTOMEDICALSTAFFUNDERINCREASINGPRESSURE,THEDESIGNISTOREDUCETHEAMOUNTOFLABORDESIGNEDMEDICALPERSONNELNOWTHEHOSPITALRECORDSOFTHEINFUSIONMODEORTHETRADITIONALMANUALRECORDSAREANURSEORMEDICALCONDITIONOFTHEINFUSIONTHEPATIENTSINFUSIONRECORDING,THISWAYOFWORKINGWHENTHEPATIENTWILLREVEALTOOMANYSHORTCOMINGSBECAUSETHENUMBEROFPATIENTSANDTHEIRSITUATIONISNOTMUCHDIFFERENT,SOTHEWORKLOADOFNURSESANDDOCTORSPARTICULARLYLARGEWHENAPATIENTCALLSTHENURSETOPUTDOWNTHEWORKTOTHENURSESSTATIONTOANSWERCALLS,VIEWCASE,THENTHEIMPLEMENTATIONOFDRESSINGORNEEDLEINJECTIONTHISAPPROACHVIRTUALLYINCREASETHEWORKLOADOFNURSES,ANDTHEWORKEFFICIENCYISVERYLOW,IFNOTDELAYTOOLONG,THEPATIENTMIGHTHAVEDANGEROUSTHISDESIGNISMAINLYFORTHISPROBLEM,FIRSTDETECTEDDRIPLIQUID,USINGWIRELESSTRANSMISSIONRELATEDINFORMATIONSOASTOACHIEVETHEROLEOFPOLICETHENTHENURSEWHOMOVABLERECEIVERCANRECEIVEINFORMATIONTOMAKETHEWIRELESSREFLECTTIMELYMEDICATIONFORTHEPATIENTORTHENEEDLEINJECTION,SAVINGTIMEANDINCREASINGEFFICIENCYITALSOCANBETHEROOMNUMBER,CALLTIMESTORAGE,ANDPRINTITOUTFORFUTUREREFERENCEDOCANBEFOUND,WITHOUTOMISSIONSTHEDOCTORSANDNURSESWILLBEDESIGNEDTORECORDDATAFROMACOMPLEXFREED,THUSIMPROVINGWORKEFFICIENCYKEYWORDSDRIPLIQUIDLEVELDETECTIONIMPROVEWORKEFFICIENCYWIRELESSTRANSMISSIONMOVABLERECEIVINGEND目录第1章绪论111课题研究背景112立题依据和主要内容2121立题依据2122主要内容2第2章点滴无线报警的基本理论421液面检测方式的选择422数据无线传输的方式523输液监控器的工作方式624接收终端的工作方式6第3章输液监控器和接收终端的总体设计831输液监控器和接收终端设计832输液监控器硬件设计10321中央控制器模块10322液面检测模块11323无线报警模块12324自动阻断模块14325显示模块1533便携式护士终端硬件设计17331中央控制器模块17332显示模块17333报警模块18第4章输液监控器和接收终端的软件设计2041系统软件总体设计2042控制系统的设计2243显示模块的设计2344通信模块的设计25441监控器与手持终端的通信26442手持终端之间的通信2745其他模块的设计27第5章系统调试29结论30参考文献31第1章绪论11课题研究背景静脉输液技术的运用起源于公元16世纪，经过400多年的发展逐渐形成一套完整的理论体系，成为最常用，最直接，最有效的临床治疗手段之一。将大量的液体、电解质或血液由静脉注入称之为静脉输液法。但是现阶段静脉输液的还存在很多问题。我们经常会遇到一些行动不便或无法自理的病人到医院就诊；还有近年来屡次发生的地质灾害给救灾人员提出了一个严峻的课题，医护人员不够，输液器材短缺，医护场所窄小等困难。静脉输液技术推行极大地提高了临床治疗的效率，然而大量的病人同时输液，护士的工作压力甚大，而且一旦产生疏漏，没有及时换药，会给病人身体带来不必要的伤害。另外病人往往一次需要输液多瓶，现有的做法是每输完一瓶药水，护士就需要更换新的输液瓶，多次更换药瓶，不仅加大了护士的劳动强度，影响了护士的工作效率，而且病人需时常注意输液进度，加重病人的心理负担，不利于病人休养身体。为避免护士没有给病人及时换药水，现有医疗市场出现了多种输液报警器采用各种各异的原理与制作方法，主要的测试方法有利用压力传感器测量瓶内液体的重力，进而将重力这一物理量转化为瓶内液体高度的物理量。这种方法，思路清晰简单明了，但是操作困难。主要是因为瓶内液体一般不是纯净物，密度不好确定；另外瓶内液体是否混合均匀也是影响测量的一个重要因素，因此这种方法实际上并不可取。利用光的直线传播与折射原理，用红外探头照射液面并用相应的接收装置接收信号，根据接收到的模拟信号来检测液面并报警，不仅装置和原理简单，精度高，最重要的是成本低，且具有便携式，方便护士的拆装和药物利用同时也不污染药物，达到非接触式测量，很好地解决了输液报警的问题，既减少了医护人员的时间和精力，又保证了患者的生命安全。12立题依据和主要内容121立题依据现在医院中对输液的记录方式还是传统的人工记录，都是由护士或者医护人员对输液病人的输液情况进行记录，这种工作方式在患者过多的时就会显露出缺点。由于病人的数量过多而且各自的情况不一样，所以护士和医生的工作量特别的大。当有病人呼叫时，护士要放下手中的工作到护士站去接听呼叫，查看病例，然后实施换药或拔针。这种方式无形中增加了护士工作量，而且工作效率极低，如果耽误太长时间，病患也许就会发生危险。其次，在病人或者家属都不知道点滴已经打完得情况下，护士不能及时换药或拔针，再一次增加了发生危险的几率。目前市面上的输液报警器采用各种各异的原理与制作方法，主要的测试方法有利用压力传感器测量瓶内液体的重力，进而将重力这一物理量转化为瓶内液体高度的物理量。这种方法，思路清晰简单明了，但是操作困难。主要是因为瓶内液体一般不是纯净物，密度不好确定，另外瓶内液体是否混合均匀也是影响测量的一个重要因素，因此这种方法实际上并不可取。本设计主要是针对这个问题的，首先是检测点滴液面，利用光的直线传播与折射原理，用红外探头照射液面并用相应的接收装置接收信号，根据接收到的模拟信号来检测液面并报警。其次利用无线传输相关信息从而达到报警的作用。护士接收端可以根据无线接收的信息做出反映，为病人及时的换药或者拔针，节省了时间，增加了工作效率。最后，本设计安装简单，操作简洁，只需设定房间号和病床号，按运行键就可自动工作，并能在输液结束时自动阻断输液，避免回血发生。同时通过无线告知护士，无需患者或看护人叫护士，护士能方便携带接收终端，而不必值守在护士站，同时能通过接收终端来协调值班力量分配，将医生和护士从复杂的记录数据中解放出来，增加了医护人员的值班效率。122主要内容本设计主要内容是，通过传感器检测液面的高度，当液面达到指定位置后，传感器发生电平变化，经过单片机处理后，通过无线发送点滴所在房间号、床号、呼叫时间等。接收方接收到相应信号后，通过单片机处理，开始语音报警、在液晶屏上显示发送方的房间号、床号以及发送时间，并且可存储多组数据。利用按键可以停止语音报警并且可以即时查询已经存储的房间号与床号。该系统主要由输液监控器和便携式护士终端构成。输液监控器直接夹在输液管上，不与输液液体接触，采用非接触式的红外光电开关作为传感器，利用光线直射和折射原理检测输液管内的液位是否到达警戒线，当液位到达警戒线触发本地声光报警，向便携式护士终端发送无线数字报警信号，同时利用微型步进电机构成的阻断装置来阻断输液，防止回血。输液监控器能手动设置病房号和床位号，方便一机多用。输液监控器上还带有手动报警按钮，可用于呼叫护士；便携式护士终端采用双向无线数字通信，具有语音和振动提示功能，内嵌智能化管理程序，能够按报警先后顺序，报警类型合理显示报警信息，方便护士查看，同时护士能通过按“处理”键来协调由谁去处理报警，以提高医院护理效率。本设计有以下几个创新点利用红外传感器，装在输液管上，不与液体接触，操作简便可靠；红外传感器位置与输液管不垂直，这样能利用液面的断层来折射传感器发射的光线，使检测液位更灵敏、更准确；采用GFSK调制方式的无线数字通信来传送报警信号，使得通信更可靠，通信距离更远，无须另外布线，对医疗设备无干扰；采用阻断装置，提高安全系数，避免回血发生；适用于各种规格型号的输液瓶（袋）及各种液体。显示终端体积小，方便护士携带，能显示全部报警信息，并能查询、处理报警信息。主要技术关键传感器的选择（采用红外光电开关）；检测位置的选择（检测输液管）；通信方式的选择（无线数字通信）；阻断装置的设计（微型步进电机）；外观及实用性的设计（体积小，功耗小，操作简洁）。主要技术指标误报率小于01；无线收发距离大于100米，报警延迟小于2秒；能设定999个房间号，每个房间设定10张床位号；可同时支持10台护士终端设备；第2章点滴无线报警的基本理论21液面检测方式的选择检测液面的方式方法多中多样，而目前市面上的输液报警器采用各种各异的原理与制作方法，主要的测试方法有利用压力传感器测量瓶内液体的重力，进而将重力这一物理量转化为瓶内液体高度的物理量。这种方法，思路清晰简单明了，但是操作困难。主要是因为瓶内液体一般不是纯净物，密度不好确定，另外瓶内液体是否混合均匀也是影响测量的一个重要因素，因此这种方法实际上并不可取。另一种方法就是利用红外对管进行液面检测，红外对管检测技术采用无接触检测技术和无损检测技术，丝毫不影响输液的化学性质和治疗效果，对发展新型诊断监护系统来说，无接触检测技术和无损检测技术是人们最愿意接受的技术。目前市面上相关的大多数产品的检测方法如图22所示，在垂直输液管的两侧分别放置红外发射管和红外接收管，红外光在充满液体的输液管中的透过量要比空输液管的小，这样红外接收端的电压就会有变化，从而做到检测液面变化的目的。但是这种检测的方法的精确度不是很高，而且在红外接收端的的电压变化量不大，不用高精度的AD无法检测的出来，这就无形中增加了产品的成本。图21传统的红外检测方式还有一种检测方式是利用的光的折射。总所周知，光在液体中也是直线传播，但是在液体和空气中间交接的地方会发生折射，这时候大部分的光都会被液面折射走，只有很少的一部分光线能继续沿直线传播（如图22所示）。所以就在输液管的两端成角度的放置红外发射管和红外接收管。当输液管中充满液体的时候，红外接收管稳定接收到红外光，输出的电压稳定。如果液面正好下降到与红外光相交的地方时，这时候大部分的红外光会被液面折射，红外接收管接收到的红外光会瞬间大量减少，同时产生很大的电压变化，这时就达到了报警的目的。图22利用光的折射图考虑到本设计是在医用点滴上使用，综合安全、稳定、成本等因素，就采用了利用的光的折射的原理的设计。22数据无线传输的方式无线传输技术现在已经很成熟了，摆脱了传统布线的弊端。本设计主要是特色是护士手持式终端，所以我们运用到了无线传输的技术。市面上运用最多的是24GHZ的无线传输频率。24GHZ无线技术，是一种短距离无线传输技术，供开源使用。24GHZ所指的是一个工作频段，24GHZISM（INDUSTRYSCIENCEMEDICINE）是全世界公开通用使用的无线频段，蓝牙技术即工作在这一频段，在24GHZ频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力，目前广泛应用于家用及商用领域。把24GHZ信号放大加强以后空旷场地的传输距离可以达到几千米，传输数据十分稳定、快速。由于24GHZ信号频率过高，所以该信号的穿墙能力并不是很好。而24GHZ本身的传输距离很短，只有100米左右，所以必须加功率加大的电路，这就增加了设备本身的耗电量。因为24GHZ是公共频率段，很多无线设备都工作在这个频率段，很容易出现串频道的现象。因此24GHZ很少用于室内的无线传输。低频率段无线模块使用相对较多的是433MHZ的频率。433MHZ是我们国家的免申请段发射接收频率，可直接使用，但由于不需要管理，这个频段的信号干扰比较大。信号经过整波和对通信协议的加密可以解决干扰较大的问题。433MHZ本身的传输距离较短。信号本身传输距离短，可用GFSK调制方式解决。GFSK高斯频移键控调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时,能够通过改变高斯低通滤波器的3DB带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。因此,GFSK调制解调技术被广泛地应用在移动通信、航空与航海通信等诸多领域中。由于433MHZ的频率较低，所以对障碍物的穿透里能力很强。相关的433MHZ无线模块具有传输速度快、传输距离远、功耗小、对室内其他设备干扰较小等一系列优点，所以已经在室内无线传输领域大量应用。23输液监控器的工作方式现在的大部分点滴报警产品都是分为两个部分，分别是检测点滴液面报警部分和护士站内报警两部分。关于检测点滴液面的部分的装置的设计也是五花八门，常见的基本上也就是两种，即固定式检测及非固定式检测。固定式检测，顾名思义是将检测装置固定在某个特定位置，然后将输液瓶放置在装置中进行检测。固定式检测适合在特定的场合，比如病人不会做太多移动、设备有专人看护的病房。固定式检测的好处是设备的使用寿命长、不易丢失，还可以将呼叫、报警、监控等一些列功能都集成在一起，方便设备监管和维护。但是这种做法存在很多的不足。首先，将设备固定在特定位置可能要改变原来病房内的格局和信号线的走向，无形中增加了医院的成本，所以只适合新建的病房。其次，在装置安装完成之后，输液的操作会发生变化，医院需要集体安排新设备的操作培训，这样就增加了护士工作的复杂性，增加了危险发生的几率。最后，由于是固定式的装置，设备的检修和维护工作会很复杂，可能会影响到病房的正常使用，耽误医院的日常工作。所以固定式检测的应用方面并不是很广泛。非固定式检测，是目前使用率较高的方式。非固定式检测是将检测装置直接固定在输液管上，这种方法十分方便，不会阻碍病人的行动，适合大多数病房使用。非固定式检测的优点有很多。第一，设备是直接放置在输液管上的，所以装置体积小、轻便，易于护士安装和携带。第二，由于设备是直接放置在输液管上的，所以适应大多数的输液点滴，不用医院更换原有的设备。第三，操作简单，护士在保持原有点滴输液操作的基础上只需将装置直接安装在输液管上，不需要进行过多的培训。第四，由于设备是可移动的，一旦设备损坏可以及时更换，方便工作人员检修和维护，同时不耽误医院的正常工作。非固定式检测的不足就是装置是可移动的，易损坏、易丢失。还有就是电池的寿命是有限的，工作中如果电池电量不足会增加工作人员的工作量和病患发生危险的几率。综合这种检测方面的不足和优点，非固定式检测的应用方面还是很广的。24接收终端的工作方式接收终端的接收方式目前有两种，固定式接收方式和移动式接收方式。固定式接收终端的工作形式比较统一，在护士站设立一个接收终端，将在病房中的报警信息传输到接收终端上。一般这种接收终端都是PC机（个人电脑），在屏幕上显示病患详细信息，以及即将进行的相关操作。这时护士会根据屏幕上显示的信息去进行查询，然后对报警进行相关处理。还有的医院在护士外边放置一块大屏幕，将在护士站内部显示的信息用这种大屏幕显示出来，方便不在护士站的护士来回查询。但是这种处理方式有个很大的弊端，当护士都在护士站工作或者是说护士都在护士站附近时，这种方法很是便捷。但是现在医院的规模在不断扩大，一个护士站管理的范围已经不限于一个楼层。这就导致一个问题，在医院工作特别的忙的时候，护士站的护士有可能都在病房里面工作，当报警产生的时候，护士需要从很远的地方跑到护士站，然后对病人信息进行查询，做出相应的工作。这种方式就大大降低的护士的工作效率，如果大家都听到报警以后就都会跑回护士站，但是处理问题的只要一个护士就可以，这就浪费的劳动力，也加大了护士的工作量，也容易使病患发生危险。移动式接收终端，顾名思义是在护士身上放一个终端。这种接收方式通过无线通信的方式将报警信号发送到护士手中的终端里面，在手持式终端上显示病人的信息拔针、换药还是异常报警。在工作的护士身上都放一个终端，在病房产生报警的时候，每个人的终端都会显示报警信息。在手持终端上会显示哪个病房哪个病床的病人是需要拔针还是换药或者是异常报警，当有护士点处理时，其他的终端会结束报警，并显示是哪个护士去处理。这样就省去了护士都去集中处理一个问题的工作重复和浪费。减少了护士的工作量同时减少了病患的等待时间。但是这种工作方式，移动终端的稳定性、电池的续航能力都影响着工作的质量。第3章输液监控器和接收终端的总体设计31输液监控器和接收终端设计静脉输液治疗是临床医疗工作中常用的治疗手段，但目前大多数医院及医疗机构都没有实现输液的自动监控管理，从而在输液过程中，当输液完成需要换药液时，需要医务人员发现及时，否则就会出现空气进入血管内形成空气栓塞,凝血堵塞针头等情况,轻则延误治疗,重则会危及病人生命安全,发生医疗事故。平时临床输液中采取的应对措施一般是由患者、陪侍或医务人员随时观察监视药液余量情况，在输液结束时一般都是由陪侍去叫护士，或者是患者呼喊护士，这样既加重了护理人员的劳动负担,也不利于病区的综合管理。为此,我们结合临床实践,研制了基于AVR单片机的便携式无线输液报警系统来代替人工监护,即减轻医务工作人员的工作强度及病人和医务工作人员不断观察输液是否完成而形成的压力,同时能自动管理系统记录输液过程,实现医院护理自动化和智能化。本实用新型提供的一种便携式智能化输液管理装置包括一个输液中心管理器、多个输液监控器和多个护士手持终端机；输液监控器、护士手持终端机分别和输液中心管理器连接；输液中心管理器置于护士站，输液监控器使用时置于病房的输液管上，护士手持终端机使用时每位护士一个；输液监控器包括第一MCU（MCU是MICROCONTROLUNIT的缩写，中文名称为单片机）及与其连接的液位检测传感器、输液管阻断器、第一无线通信模块、声光报警单元、第一键盘单元、第一低电压检测单元和第一电源。第一键盘单元置于输液监控器机盒表面，其余的均安装在输液监控器机盒里，输液监控器机盒的一侧有一个卡槽卡住输液管而把机盒也固定在输液管上；1、设计原理该系统主要由输液监控器和便携式护士终端构成。其基本结构框图如图31和图32所示。MCU声光报警阻断装置数码管显示按键设置输液管光电开关无线发射无线模块图31输液监控器的系统框图MCU无线模块无线接收LCD显示按键设置声音提示振动提示无线发射FLASH存储图32便携式护士终端结构框图输液监控器的设计主要采用检测输液管的液位来确定输液是否结束及报警。其工作原理如下在输液管的细管两侧分别放置红外发光二极管和光敏三极管，使传感器发出的光线与输液管有一斜夹角，输液正常时，输液管里面充满液体，当液位下降到红外光线正好穿过液面时，光线发生折射，此时，光敏三极管接收到的光将减少，从而导致光敏三极管两端的电压增大，将该电压与电压比较器设定的初始电压进行比较，电压比较器将会在高低电平间转化，将此信号作为外部中断信号，就能触发单片机的外部中断，从而确定输液到达报警液位及实现报警功能。当液位到达警戒线触发本地声光报警，向便携式护士终端发送无线数字报警信号，同时利用微型步进电机构成的阻断装置来阻断输液，防止回血。输液监控器能手动设置病房号和床位号，方便一机多用。输液监控器上还带有手动报警按钮，可用于呼叫护士。便携式护士终端采用双向无线数字通信，具有语音和振动提示功能，内嵌智能化管理程序，能够按报警先后顺序，报警类型合理显示报警信息，方便护士查看，同时护士能通过按“处理”键来协调由谁去处理报警，以提高医院护理效率。32输液监控器硬件设计321中央控制器模块本设计采用ATMEGA16L单片机作为主控芯片。ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元ALU相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。通过将8位RISCCPU与系统内可编程的FLASH集成在一个芯片内，ATMEGA16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。图33ATMEGA16L芯片管脚图ATMEGA16工作电压为33V,使用内部振荡电路，系统工作频率为4MHZ，使用片内的模拟比较器作为检测液位的输入信号与设定值进行比较触发中断，使用片内的ADC电路作为电池电压检测，ADC基准电压源采用片内256V电压，AREF接01UF电容滤波，使用片内的SPI串行接口与无线模块进行数据交换，采用上电自动复位电路，并使能内部看门狗。其电路图如图34所示。图34单片机最小系统322液面检测模块本设计采用槽式光电开关作为液位检测的传感器，槽型光电开关其实对射式光电开关的一种又被叫做U型光电开关，是一款红外线感应光电产品，由红外线发射管和红外线接收管组合而成，而槽宽则就决定了感应接收型号的强弱与接收信号的距离，以光为媒体，由发光体与受光体间的红外光进行接收与转换，检测物体的位置。槽型光电开关于接近开关同样是无接触式的，受检测体的制约少，且检测距离长，可进行长距离的检测（几十米）检测精度高能检测小物体。光电开关的红外发射二极管与330欧姆限流电阻串联接到33V电源上，光电开关的红外接收三极管的集电极与15千欧姆电阻串联接到电源上，并由集电极作为检测信号的输出端，接到ATMEGA16L单片机的模拟信号比较器的极端，极端接10千欧姆的可调电阻，并在警戒液位时调整可调电阻值，因为正常输液时红外接收三极管接收到的光照强，而在警戒液位时，由于光线在液面处发生折射现象，所以红外接收三极管接收到的光照变弱，如图35所示，使模拟比较器的输出正好由正变负，并设定模拟比较器下降沿触发中断。其电路图如图36所示。输液管光电开关光电开关输液管图35液位检测原理图36液位检测电路323无线报警模块本设计采用SRW1012无线数字通信模块作为无线传输数据的发射接收端，SRW1012是一款先进的低成本射频收发模块，可提供覆盖240MHZ至930MHZ的频率选择。极佳的接收灵敏度（121DBM）可保证大范围、高连接的卓越性能。模块外围元器件极少，模块大小为24MM16MM。本模块芯片采用无铅封装，工作温度范围为4085，它还集成了一些可节省应用成本的特性，如唤醒定时器、温度传感器、发射和接收数据FIFO、上电复位电路、通用数字I/O口、高性能ADC和数字MODEM，数字MODEM可在数字域执行解调、滤波和包处理功能，这些特性可大幅简化系统设计师的工作，以及允许使用低端的微控制器。图37SRW1012模块电路SRW1012其工作433MHZ，采用GFSK调制模式，使用SPI电气接口与单片机进行数据交换，工作电压为3V,而系统的电源采用37V的锂电池，故此处采用30V稳压二极管与10欧姆电阻串联接到系统电源上，并再稳压二极管的负极输出作为无线模块的工作电源，其电路图如图38所示。图38无线传输电路324自动阻断模块本设计采用L9110直流电机驱动芯片，L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750800MA的持续电流，峰值电流能力可达1520A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。图39L9110芯片管脚图L9110作为直流电机的驱动电路，其结构简单，使用方便，驱动芯片的OA和OB接直流电机，驱动芯片的IA和IB端接单片机引脚上，单片机分别给定高和低电平时电机正转，给定低和高电平时电机反转。其电路图如图310所示。其阻断原理如图311所示。图310阻断装置电路自动阻断的设计是在电机上加一个偏心轮，在轮上放置一个前端尖端的挡片。当电机转动时，带动偏心轮转动，从而使挡片向前运动，起到阻断输液管的作用。反之，当电机向相反的方向转动时，使挡片向后运动，使得输液管放开。这样当检测液面的传感器检测到信号以后，单片机控制电机的转动，将输液管阻断或者是松开，做到了自动阻断的功能。输液管阻断前输液管阻断后图311阻断输液原理325显示模块本设计采用3位共阴数码管显示房间号，数码管具有发光强、可视性好、显示电路较为简单和成本低等优点，在仪器仪表的输入输出人机交互设备中经常用作显示器件。采用2位共阴数码管显示病床号，使用74HC138芯片作为数码管的驱动芯片。其电路图如图312所示。图312数码管显示电路本设计采用37V锂电池作为系统的电源，锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应LIMNO2LIMNO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。现在锂电池已经成为了主流，锂电池使用寿命相对较长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1CDOD充放，有可以使用1000次的记录；具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到1530C充放电的能力，便于高强度的启动加速；自放电率低，无记忆效应；锂电池高低温适应性强，可以在2060的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在45环境下使用；绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。本设计用100UF和01UF电容作为滤波，电压检测电路为两47千欧姆电阻串联，接到系统电源上，中间端接到单片机的ADC输入引脚。其电路图如图313所示。图313电源及电压检测电路33便携式护士终端硬件设计331中央控制器模块本设计采用ATMEGA16L单片机作为主控芯片，工作电压为33V,使用内部振荡电路，系统工作频率为4MHZ，使用片内的ADC电路作为电池电压检测，ADC基准电压源采用片内256V电压，AREF接01UF电容滤波，使用片内的SPI串行接口与无线模块进行数据交换，采用上电自动复位电路，并使能内部看门狗。其电路图如图314所示。图314单片机最小系统332显示模块本设计采用33V电压的12864液晶显示模块作为显示屏，带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。其电路图如图315所示。图315LCD显示电路333报警模块本设计采用8550三极管作为驱动，驱动压电式蜂鸣器。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1525KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。本设计在报警上还采用了振动器。振动器就是偏心电动机就是普通电动机，头上装了一个凸轮，而凸轮的重心并不在电动机的转轴上，在转动时，凸轮做圆周运动，产生离心力，由于离心力的方向随凸轮的转动而不断变化，连续的看就使手机产生了左右方向的较大幅度的摆动，实际上是有上下方向的振动的，但是由于阻力过大使这个方向的振动不是很明显，于是感觉是振动了。另外再跟电路结合起来，当有信息收到并需要以振动方式提醒的时候，控制电路就会发出信号，从而会有适当大小的电流输入电动机，电动机转子转动带动凸轮转动，于是产生了振动。其基本电路如图316所示。图316振动和声音提示电路第4章输液监控器和接收终端的软件设计41系统软件总体设计整个系统的软件系统涉及到很多方面，是一个比较复杂的系统，不可能一次把所有的代码都写出来。这里对软件代码的编写采用模块化的设计思想，将整个软件系统逐步划分为子系统，再将子系统逐步细化为单一功能的模块来实现，最后再将所有的模块整合成一个大系统，实现预期的功能。下面是主程序流程图图41输液报警器流程图无线发射初始化是否到达指定液面数据无线发射NY是否发送成功指示灯亮NY图42便携式终端流程图由输液报警器和便携式终端的系统流程图可知其工作原理。系统开机以后，进行系统初始化，当系统开始工作的时候，红外对管开始检测点滴液面，输液报警器开始向护士手持终端发送无线数据，显示各个报警器的信息，同时护士手持终端之间开始进行通信，将各自的信息发送的对方的手持终端里。当有点滴打完以后，红外对管检测到信号，单片机收到信号之后，启动电机将输液管阻断，同时通过无线信号向所有的护士手持终端发出报警信号，同时将自己的地址信息发送出去。当护士手持终端接到报警信息之后，会分析接收到的地址是属于哪个输液监控器的，并在液晶上显示出来。当有护士发现有输液监控器报警时，按下处理键，这时屏幕上就会显示出该信息已经处理，同时计时器开启。该计时器会记录你从按下处理到你处理该报警的时间，同时该护士终端就会向其他护士终端发出该报警已经处理的信号，以防止有护士重复处理该问题，造成劳动浪费。无线接收初始化数据无线接收成功N液晶显示声音震动报警Y按键是否按下按键是否按下停止报警更新显示YYNN42控制系统的设计输液监控器的控制流程1输液正常后，将上端输液管夹入检测槽内。2将电源开关打到ON，报警器开机，并显示00000。3按S/R键来调整数字的位数，并且调整哪位数字，对应的那位就会1S闪烁一次，按键来调整房间号和床位号，每位数字从09循环变化。4当设定好后，再按S/R键，报警器进入初始化状态，约5S后，再次显示设定好的房间号和床位号（如102房01床），表示进入工作状态。若显示房床,表示无线模块通信错误，需重新设定房间号和床位号。5工作时，数码管会在15S后熄灭，进入省电模式。6输液完毕后，发出连续“BIBI”提示音，并自动阻断输液管。7按S/R键，报警器发出“BIBI”响两声，压轮松开输液管。8将电源开关打到OFF，报警器此时关机。9充电直接将充电器插头接到监控器电源孔，次数充电器上显示红灯，约5小时左右充电器显示绿灯，表示充电完毕。10缺电当报警器工作时出现每隔30秒发出短“BI”提示音，表明电量已不足，需要充电。此时插入充电变压器可立即充电。若经过约10分钟还未对其充电报警将在发出连续短“BI”音后自动关机同时阻断输液管。便携式护士终端的控制流程1将电源开关打到ON，便携式护士终端进入工作状态。2开机后便携式护士终端会立即更新数据，以显示最新报警信息。3若接收到摘瓶报警信号，便携式护士终端会发出“BIBIBI”响连续响两次，并振动连续振动三次；当收到呼叫报警信号，会发出“BIBI”连续响两次，并振动连续振动两次；4正常输液时，便携式护士终端显示102010025，表示102房01床正在输液，输液时间0小时25分；5摘瓶报警时，便携式护士终端显示10201摘瓶0107，表示102房01床需要摘瓶，输液结束了1分07秒；6呼叫报警时，便携式护士终端显示10201呼叫0028，表示102房01床正在呼叫，呼叫时长0分28秒；7欠压报警时，便携式护士终端显示10201欠压0046，表示102房01床电池电量不足，已经过去0分46秒；8报警后，护士根据报警信息，上下翻查选定哪个房间进行处理，并按下“处理”键，其他接收机会收到该机发出的正在处理信息（10201A正在处理）9当不需要该接收机时，将电源开关打到OFF，接收机关机。10当电量不足时，本机会显示“电量不足，请及时充电”字样。11充电直接将充电器插头接到接收器的电源孔，充电器上显示红灯，约5小时左右充电器显示绿灯，表示充电完毕。43显示模块的设计输液监控器部分当输液监控器工作时，护士手动按键设置病房号和病床号，如果调错以后，可以按键来清除，重新调过。当设置成功以后，数码管会一直显示病房号和病床号，如果15秒之内没有任何操作，数码管会进入省电模式。当进入省电模式之后，有任何操作都会重新唤醒数码管显示。由于本设计是由电池供电的，所以我加入了这个设计。下图为显示流程图开始按键设置成功N显示病房病床号是否有操作YY数码管熄灭，进入省电模式N图43数码管显示流程图护士手持终端部分当护士终端开机时，会自动检测是否有无线信号传输，如果有无线信号传入的话会在屏幕上显示出来。发出报警信号的报警器会向所有的护士手持终端发出信号，所以所有的护士手持终端都会接受到信号，这时如果有第二个报警信号发送过来之后，会顺延到第一下方，做出这个设定是因为接受到的信号越久就越需要处理，所以就采用了顺延的算法。当护士收到该报警信号时，按下处理按键，这时会在屏幕上显示该报警已经有人处理，并显示是哪个号码的手持终端去处理的，同时计时器开始计时。按下处理按键的护士的手持终端会同时向其他的护士终端发送信号，更新其他护士手持终端的信息。当报警处理完成以后，会将计时器关闭，同时向其他的终端发送已处理的信号，防止有人重复处理同一报警。开始显示开机内容是否接受到无线信号显示报警器传输的信息NY是否有人按下处理键NY更新报警信息并开启计时是否成功处理更新报警信息计时停止NY图44护士手持终端显示模块44通信模块的设计输液监控器和护士手持终端的无线通信模块统一都是SRW1012，为了实现无线信号穿透墙壁的能力和方便同一管理，同一采用433M通信频率。这样就产生了一个问题，433M是国家免费开放的频段，市面上有很多设备都是基于这个频段的，如果某个未知设备发出的信号被我们的监控器和手持终端接收到会影响到其正常工作。针对这样的问题我提出的解决方案的就是将通信协议进行加密，这样外界的干扰在理论上就会消除。SRW1012之间通信是运用的SPI协议。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，如今越来越多的芯片集成了这种通信协议。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。图45SPI读写时序消除了外界的干扰之后，又发现了系统本身的干扰。当某个报警器发出无线信号之后，所有的监控器和手持终端都会接到该信号，而设计的主要目的就是只让手持终端接收到该信号，如果别的监控器收到之后会干扰其正常工作。而在手持终端之间互相通信的时候也会出现这种现象，为了防止这种情况的发生，我们采用了地址识别的思想。441监控器与手持终端的通信当某一输液监控器检测到点滴打完之后发出报警信号，这个报警信号里面包括密码段、第一地址段、第二地址段和数据段。密码段就是整套系统的密码，用于区分是否本系统的设备。第一地址段里面的内容是区分发送的对象是输液监控器还是手持终端，第二地址段是每个设备的专属地址，而数据段里面包括了具体的操作和数据。当手持终端接到信号时，设备首先都会进行密码解密。当解码成功之后，会对后边的第一地址段进行分析，如果接受到的信号是要送给手持终端的话就进行接收，否则视该信息无效。当第一地址通过了之后，则进行第二地址的分析。第二地址里面的地址就是每个设备的专属地址，当第二地址也确认了以后，才会接受后面数据段的数据，进行的相关的显示、报警。手持终端成功的将数据段的数据读取之后，会在液晶屏幕上显示发送报警的输液报警器的地址，同时会振动和发出声响提示护士，有报警传入。在输液报警器发送报警信号的同时会驱动电机将输液管阻断并发出声响提醒病人已经打完并完成报警，等待护士的处理。YN是否为终端的地址是否为该终端的地址进行相关操作NY解码是否成功YN接收无线信号开机初始化图46监控器与手持终端通信442手持终端之间的通信报警信号从输液报警器成功的传到手持终端，当护士看到开始处理时，按下处理按键，在屏幕会显示出该报警信息已经被处理，并且是哪个护士终端处理的。这时候就出现一个问题，只有一个终端的信息被更新了，其他的终端信息还是处在报警状态的，这就出现了漏洞。本设计的解决方案就是让手持终端之间进行通信，让所有的手持终端的信息都保持一致。通信的过程和与输液监控器的基本一致，当手持终端接到信号时，设备首先都会进行密码解密。当解码成功之后，会对后边的第一地址段进行分析，如果接受到的信号是要送给手持终端的话就进行接收，否则视该信息无效。当第一地址通过了之后，则进行第二地址的分析。第二地址里面的地址就是每个设备的专属地址，当第二地址也确认了以后，才会接受后面数据段的数据，进行的相关的显示。增加了手持终端之间的通信之后护士不会出现劳动重复的现象，减少危险发生的几率。是否为终端的地址进行相关操作NY解码是否成功YN判断发送数据的地址接收无线信号开机初始化图47手持终端之间的通信45其他模块的设计液面检测模块设计本设计才用槽型红外对管，利用光的折射对输液管内的液面进行检测，当液面下降到红外对管检测到的地方时，红外对管两侧的电压会有很大变化。在红外对管的输出端放一个电压比较器，将比较的结果传输到单片机。单片机每2MS就对该管脚进行检测，当管脚的电压发生变化时，单片机就会报警、驱动电机阻断输液管、通过无线模块传输信息。无线模块在平时是处在休眠状态的，只有在有报警信号要传输的时候才处在工作模式。阻断系统设计本设计阻断装置是驱动电机进行阻断，原理是在电机的转动轴上，设计放置了一个偏心轮，在轮上放置一个前端尖端的挡片。当单片机接收到红外对管传输的信号时，就会当电机转动时，带动偏心轮转动，从而使挡片向前运动，起到阻断输液管的作用。当护士按下输液监控器上的处理按键后，单片机控制电机向相反的方向转动，使挡片向后运动，使得输液管放开，可以让护士进行换药或者拔针等操作。这样就做到了自动阻断的功能。电池电量检测模块的设计本套系统包括两部分输液监控器和便携式移动终端，这两套系统都是不需要外接电源的，装置内部都锂电池进行供电，这就需要考虑到电池供电不足的问题。在进行电池供电模块电路设计时，将供电源处链接到单片机的ADC输入管脚上，当电压小于额定电压时，单片机会进行报警并在一段时间之后停止工作，提醒工作人员更换电池。采用这种设计更好的确保了系统的安全稳定，减少发生危险的几率。第5章系统调试1液面高度的测试发射模块一实测与所需高度对比，如表51所示表51发射模块一实测与所需高度对比实测（长度CM）所需高度（长度CM）测试14145测试24245测试34245测试44045测试54145测试结果偏差很小，偏差05CM。发射模块二实测与所需高度对比，如表52所示表52发射模块二实测与所需高度对比实测（长度CM）所需高度（长度CM）测试13945测试24045测试34145测试44045测试54245测试结果偏差很小，偏差05CM。发射模块三实测与所需高度对比，如表53所示表53发射模块三实测与所需高度对比实测（长度CM）所需高度（长度CM）测试14145测试24045测试33945测试44145测试54245测试结果偏差很小，偏差05CM。结论本文以便携式智能化报警系统为目标，设计了一套便携式智能化报警系统，对便携式智能化报警系统进行了初步试探性