（生物医学工程专业论文）基于无线网络的智能输液控制系统的研制.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g i n t e l l i g e n tw i r e l e s sn e t w o r k b a s e dc o n t r o l s y s t e m f o rt r a n s f u s i o n a t h e s i si n b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g b y n a m e q ub e n a d v i s e db y p r o f q i a nz h i y u s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 ， 0 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 坊辑 渺j 弓) 7 作者签名：宴址 e l 期：碰：至：! ! - 矗 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 基于无线网络的智能输液监控系统是一种新颖实用的输液监护系统，静脉输液是临床医学 重要的治疗手段，在输液过程中，若药液接近滴完或因某种事故使输液速度过高或过低时，需 要医务人员及时处理，目前由于缺少经济有效的自动检测装置，输液时病人需要专人陪护，加 重了病人的思想负担和护理成本。本文开发一套基于无线传输的远程输液监控系统，系统可以 对液滴计数，并将各检测点输液信息传送至护士办公室监控总站，并对各监控点进行实时监控 和统一管理，当出现异常情况时，通过声光报警，提醒护理人员及时处理。 本文采用红外光电计数技术实现输液的自动、准确和非接触测量。通过对生理盐水、7 0 的医用酒精、葡萄糖溶液及纯净水等实验证明我们的技术精确可靠。 论文主要研究内容及创新点： 1 、完成了基于红外光电发射接收对管对液滴的非接触检测硬件装置，包括检测点独立检 测单元和无线传输与控制模块。 2 、设计了无线远程输液监控系统的数据传输协议，多点实时无线监控协议。 3 、编写了上位机管理系统软件，实现了远程多点实时监控、病人输液信息管理等功能。 4 、完成了一套基于无线网络的智能输液控制系统的软硬件调试，实现p c 、无线模块、输 液监控器之间的正常通信，实现了p c 机对各输液点的实时监测，达到临床实际实用效 果。 关键词：输液，无线网络，光电检测，远程监控，通讯协议 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tw i r e l e s sn e t w o r k b a s e df l u i dm o n i t o r i n gs y s t e mi san o v e la n dp r a c t i c a lm o n i t o r i n g s y s t e m ，i n f u s i o n ，i n t r a v e n o u si n f u s i o ni sa ni m p o r t a n tc l i n i c a lt r e a t m e n t ，i nt h ei n f u s i o np r o c e s s ，i ft h e d r o p so fl i q u i dn e a rt h ee n do rb e c a u s eo fs o m ea c c i d e n ta n dt h ei n f u s i o ns p e e di st o oh i g ho rt o ol o w , t h en e e df o rt h et i m e l yp r o c e s s i n go fm e d i c a lp e r s o n n e lp r e s e n t ，c o s t e f f e c t i v ed u et ot h el a c ko f a u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c e s ，i n f u s i o nw h e nt h ep a t i e n t sn e e de s c o r t s ，a d d i n gt ot h eb u r d e no nt h e p a t i e n t st h o u g h ta n dc a r ec o s t s t h i sd e v e l o p m e n to fa ni n f u s i o nb a s e do nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nf o r r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mc a nc o u n to nt h ed r o p l e t s ，a n di n f u s i o no fv a r i o u st e s tp o i n t s ， t h ei n f o r m a t i o ns e n tt ot h en u r s d so f f i c em o n i t o r i n gs t a t i o n ，a n dv a r i o u sc o n t r o lp o i n t si nr e a l - t i m e m o n i t o r i n ga n du n i f i e dm a n a g e m e n t ，w h e nt h e r ei sa 1 1e x c e p t i o nw h e n ，t h r o u g hs o u n da n dl i g h ta l a r m t oa l e r tn u r s i n gs t a f fat i m e l ym a n n e r i nt h i s p a p e r , i n f r a r e dp h o t o e l e c t r i cc o u n t i n gt e c h n o l o g yi n f u s i o na u t o m a t i c ，a c c u r a t ea n d n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t b yn o r m a ls a l i n e ，7 0 o fm e d i c a la l c o h o l ，g l u c o s es o l u t i o na n dp u r ew a t e r e x p e r i m e n t st op r o v eo u rt e c h n o l o g ya c c u r a t ea n dr e l i a b l e t h e s i sr e s e a r c hc o n t e n ta n di n n o v a t i o np o i n t s ： 1 ，b ec o m p l e t e db a s e do ni n f r a r e do p t i c a lt r a n s m i t t i n ga n dr e c e i v i n go nt h ep o s s e s s i o no ft h e d r o p l e t so f n o n - c o n t a c td e t e c t i o nh a r d w a r ed e v i c e s ，i n c l u d i n gt h ed e t e c t i o np o i n ti n d e p e n d e n tt e s t i n g u n i ta n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dc o n t r o lm o d u l e 2 ，d e s i g n e dw i r e l e s sr e m o t ei n f u s i o nm o n i t o r i n gs y s t e m sd a t at r a n s f e rp r o t o c o l ，m u l t i - p o i n t r e a l t i m ew i r e l e s sm o n i t o r i n go ft h ea g r e e m e n t 3 ，p r e p a r e dah o s tc o m p u t e rm a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r et oa c h i e v eal o n g - r a n g em u l t i - p o i n t r e a l t i m em o n i t o r i n g ，t h ep a t i e n tt r a n s f u s i o ni n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tf u n c t i o n s 4 ，c o m p l e t e das e to fw i r e l e s sn e t w o r k - b a s e di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e b u g g i n gi n f u s i o nt oa c h i e v ep c ，w i r e l e s sm o d u l e s ，i n f u s i o no fn o r m a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m o n i t o ra n dr e a l i z e dp c - i n f u s i o np o i n t so fe a c hr e a l t i m em o n i t o r i n g ，t oc l i n i c a lp r a c t i c ea n d p r a c t i c a le f f e c t k e yw o r d s ：t r a n s f u s i o n ，w i r e l e s sn e t w o r k s ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，r e m o t em o n i t o r i n g ， c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 2 历史与现状1 1 3 关键技术。2 1 4 论文内容与创新点一3 第二章基于无线网络的智能输液监控系统的总体设计s 2 1 需求分析5 2 2 系统设计6 2 2 1 硬件设计7 2 2 2 软件设计8 2 3 本章小结9 第三章输液控制器开发1 l 3 1 电源设计1 l 3 2 传感器选择1 2 3 3 近红外光电检测对管介绍1 3 3 4 液滴检测技术1 5 3 5 液滴信号采集1 7 3 6 信号放大电路2 1 3 6 1 三极管放大电路2 1 3 6 2 运算放大器电路2 4 3 6 2 1 实验过程及结果分析2 5 3 6 2 2 单电源运放放大方案可行性分析。2 6 3 6 3 电压比较器放大电路2 8 3 6 3 1 电压比较器一2 8 3 6 3 2 放大电路2 8 3 6 3 3 实验过程及结果分析3 l 3 7 本章小结3 l 第四章输液控制器系统功能与电路设计3 3 4 1 系统设计原则3 3 4 2m s c 51 单片机概述3 3 基丁无线网络的智能输液控制系统的研制 4 2 系统硬件设计原则3 5 4 2 1 信号走向原则3 5 4 2 2 防止电磁干扰3 5 4 2 3 抑制热干扰3 6 4 2 4 可调元件布局3 6 4 - 3 液滴计数数码显示单元3 6 4 4 声光报警单元及输液阻断装置设计3 9 4 。4 1 输液完成判定3 9 4 4 2 声光报警设计4 0i 4 4 3 输液阻断设计4 1 4 4 3 1 直流电机的控制与驱动。4 1l 4 5 本章小结4 3 第五章无线传输和多点识别4 4 5 1 无线设计原则4 4 5 2 硬件选型4 4 5 3 硬件电路设计4 5 5 3 1 无线接收模块设计4 5 5 3 2 无线接收器设计4 7 5 4 多点识别通信协议4 7 5 5 无线网络系统测试与结果分析5 0 5 5 1 无线传输系统传输距离测试5l 5 5 2 无线传输系统抗干扰能力测试5 1 5 5 3 无线传输系统可靠性测试5 1 5 6 本章小结5 2 第六章输液监控系统上位机管理软件开发一5 3 6 1 软件系统设计原则5 3 6 2 上位机软件开发环境介绍5 3 ， 6 3 上位机软件设计5 3 6 3 1 上位机软件界面设计5 3 ， 6 3 2 上位机软件功能设计5 4 6 4p c 机通信接1 2 1 模块设计5 5 6 5 应用软件测试5 7 i v 南京航空航天大学硕十学位论文 6 6 本章小结5 7 第七章总结与展望5 8 7 1 总结5 8 7 2 展望5 8 参考文献6 0 致谢6 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 4 v 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 v i 图表清单 图2 1系统各组成部分图6 图2 2 系统拓扑图7 图2 3 输液监控器硬件组成图7 图2 4 输液监控仪嵌入式程序流程图。8 图2 5 监控软件系统结构图一9 图2 6p c 机监控软件系统框图9 图3 1 输液控制器的供电方案框图1 2 图3 2 红外光电对管结构图1 3 。 图3 3红外光电对管实物图1 4 图3 4 红外光电对管的光谱图1 5 图3 5 红外线光电式液滴传感器检测液滴框图1 6 图3 6 近红外发射管与近红外接收管液滴检测电路原理图1 6 图3 7 液滴检测实验电路实物图1 7 图3 8 示波器中所显示的液滴波形1 8 图3 9 示波器中沿时间轴拉伸波形1 8 图3 1 0 不透光物体穿过红外光路波形1 9 图3 1 1红外光线穿过液滴示意图1 9 图3 1 2 阻值的变化趋势曲线2 0 图3 1 3电压随阻值变化趋势曲线图。2 0 图3 1 4 三极管放大液滴信号原理图。2 2 图3 1 5 三极管导通条件分析电路。2 4 图3 1 6 运放放大电路的原理图。2 5 图3 1 7 运放电路放大后信号波形。2 6 图3 1 8 单电源运放原理图2 7 图3 1 9l m 3 9 3 外型及管脚图2 9 图3 2 0l m 3 9 3 单限比较器电路图2 9 图3 2 1l m 3 9 3 传输特性一3 0 图3 2 2电压比较器实验电路原理图3 0 图3 2 3 电压比较器电路放大液滴信号波形图。3l 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1m s c - 5 1 系列单片机基本结构3 4 图4 2m s c 51 系列单片机存储器的体系结构3 4 图4 3 单片机位选显示模块原理图3 7 图4 47 段数码管选通方式原理图3 8 图4 5 声光报警装置原理图4 0 图4 6 前端带有减速齿轮组的微型直流电机4 1 图4 7 输液阻断装置结构图4 l 图4 8l g 9 1 1 0 管脚图。4 2 图4 9 直流电机控制电路原理图4 2 图5 1l m l l l 7 电压转换原理图4 6 图5 2n r f 2 4 0 1 无线模块实物图4 7 图5 3 环型和星型通信模式4 8 图5 4 系统主从机发送数据时的工作流程如图5 0 图5 5n r f 2 4 0 1 无线模块单片机驱动电路原理图51 图6 1 软件主界面图5 4 图6 2 输液监控软件通信参数设置图5 5 表3 1 三极管的三种基本放大电路特性比较2 2 表4 1l g 9 1 1 0 芯片控制逻辑关系一4 3 表5 1n r f 2 4 0 1 各引脚功能表4 5 表5 2n r f 2 4 0 1 工作模式配置表4 7 表5 3 突发模式下的数据帧格式4 9 表6 1 开关函数功能5 6 表6 2i o 读写函数功能5 6 表6 3 调制解调器控制函数功能5 6 表6 4 串口设置函数功能5 6 表6 5 寄存器状态函数功能5 7 v l i 基丁无线网络的智能输液控制系统的研制 英文缩写 i c u m c u n i r m 己 a s t m i o t i r o m r a m p c b s m t c p l d 注释表 英文全称 i n s e n s i v ec a r eu n i t m i c r oc o n t r o l l e ru n i t n e a ri n f r a r e d m i d d l ei n f r a r e d a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n gm a t e r i a l i n p u ta n do u t p u t t e x a si n s t r u m e n t s r e a & o f l ym e m o r y r a n d o ma c c e s sm e m o 巧 p r i n t e dc i r c u i tb o a r d s u r f a c em o u n t e dt e c h n o l o g y c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 中文全称 重症监护室 多点控制单元 近红外 中红外光 美国试验材料学会 输入输出口 德州仪器 只读存贮器 随机存取器 印制电路板 表面组装技术 可编程逻辑器件 i ， 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本课题的研究目的在于开发出一套基于无线网络的智能输液控制系统，解决在输液过程中 由于输液者的疏忽导致血液回流等问题的发生，也能够让医生跟据显示屏上显示出的系统所测 得的滴速来精确控制输液者的输液速度，同时也减轻了医护人员及患者陪护家属的工作强度。 本章首先介绍的是本课题的研究背景，结合国内外现状，阐述研究目的和研究内容。 1 1 研究背景 静脉输液技术的发展经历了近5 0 0 年的波折，在2 0 世纪逐渐形成一套完整的体系，成为最 常用、最直接有效的临床治疗手段之一。w i l l i a m h a r v e y 于1 6 2 8 年提出关于血液循环的理论， 为后人开展静脉输液治疗奠定了理论基础，被称之为现代静脉输液治疗的鼻祖。而1 6 5 6 年将药 物用羽毛管为针头注入狗的静脉内的英国医师c h r i s t o p h e rw r e n 和r o b e r t ，开创了静脉输液治 疗的先河。1 8 3 1 年，正当霍乱肆虐西欧之际，苏格兰医师t h o m a sl a t t a 用煮沸后的食盐水注入 病人静脉，补充因霍乱上吐下泻而丢失的体液。因此，t h o m a sl a t t a 医师被认为是第一位成功 地奠定人体静脉输液治疗模式的医师。随后人体静脉输液进入了快速发展时期【l 。3 】。 随着静脉输液作为一种医疗方法的普遍应用，其局限性也逐步显现出来：1 、在患者输液的 过程中，患者的入睡或者由于医护人员在别处忙碌等而无法了解到整个输液的过程，从而需要 专们的陪护人员监护，而且输液时间较长则加重了护理人员的工作强度，消耗了陪护人员的精 力，同时也不利于病区的综合管理；2 、往往由于病人体质虚弱在输液过程中若滴速过快或者过 慢都可能会引发患都身体的不适，更严重的甚至会危及患者的生命；3 、当输液完毕，若处理不 及时，患者的血液就会倒流入输液管内造成血液的回流，时间稍长会使扎针处严重肿胀，给患 者带来不必要的痛苦。若处理过早，药液还未完全输尽就摘瓶取管则还会造成药液的浪费。因 此如何解决输液过程中的医疗隐患与提高医护人员的工作效率、降低医护人员的劳动强度，成 了当前医疗工作中迫切需要解决的问题【4 】。 尽管目前已有输液监视仪已经在运用中解决了一些实际问题，但是都存在着一定的局限性。 特别是在网络技术、无线通信技术飞速发展的今天，输液监控需要向更高效安全的方向发展。 1 2 历史与现状 1 、机械式输液监视阶段 1 9 8 5 年国内杂志发表了一种对医院输液瓶内液面检测的试验方法f 9 1 ，该方法是在输液瓶上 挂一只弹簧秤，利用输液时瓶内液体下降，重量变轻的特点来测定液面位置，由于药液的比重 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 和瓶体重量变化比较大，测出的误差也比较大，加上输液瓶容积大小不统一，测量数据计算繁 琐，可靠性低，适用性差 5 1 。 由于机械式输液监控设备与液体瓶和液体密度等密切相关，所以该种类的监控设备误差较 大，使用不方便，适用性差。 2 、电容式液位监视阶段 电容式液位监测的原理是根据药液液位变化时引起电容变化的特点对药液液位进行监测 【1 2 1 。这类型的监控设备相对比较可靠，具有实际应用的可行性，但是由于输液瓶体积大小不统 一，所以需要设计多种规格的输液监测设备，使用不便，不能投入实际使用。 3 、电极式输液监测阶段 电极式输液监测的原理是通过将两电极插入输液软管的滴斗中，当液滴滴下产生中断信号， 由此对输液的滴速进监测1 7 1 。电极式监测器设计简单性能可靠，但是电极和药液接触，可能会 对输液药物造成污染，增加输液患者感染的风险。 4 、光电式输液监测阶段 光电式输液监测器是近年来流行的输液监测方式，其原理是将光电对管传感器的发射端与 接收端分别置于输液软管的滴斗两侧，当液滴在滴斗中滴下时，光电对管传感器的接收端接收 到的光强发生变化，并将些种变化通过后续电路以电压变化的形式表现出来，将此电压信号传 给下一处理单元进行放大、虑波、整形后再进行模数转换，从而实现了输液过程中的实时监测。 由于光电监测方式与液体不接触，并且与输液药物、输液器材无关，使输液监测设备的性能有 了很大的提高，具备了较好的易用性、高效和适用性强的优点睁吼。 除上述监测方式外，输液监测也有如感应式、光纤式、超声波式等等，但是由于成本以及 性能上的差异，这些方式未能得到广泛的运用 1 1 - 1 5 】。 1 3 关键技术 随着网络技术的发展，单机模式的输液监测器的网络化成了输液监测器的发展方向，形 成了输液监测器的网络，分别有基于r s 2 3 2 或r s - 4 8 5 总线的有线监测网络和基于c a n 总线 的输液监测网络，这两种系统大都有一个共同的系统结构，多由上位机、通信模块、通信电缆 和多个单机监测器组成【8 1 0 1 。基于r s 一2 3 2 和c a n 总线网络基本具备了网络化的功能，但在系 统化管理与控制方面并不十分完善，在实际的应用中，需要重新布线，对环境的依赖性很大幡1 7 1 。 随着无线技术的飞速发展，在数自化和网络化时代人们希望在各个领域实现无线自由的通 信，基于无线网络的智能输液控制系统，在输液监控器网络化的同时引入上位机软件管理系统， 能够使输液监控系统能够更好的服务于医疗工作。 通过上位机监控软件可以对各个输液监控器进行集中的管理和控制，一个上位机可以同时 管理多个输液监控器。在传输方式上采用了无线传输的技术手段，突破了传统的线缆传输方式， 2 南京航空航天火学硕士学位论文 由于采用了无线传输的机制，使得系统扩展变得简单宜行，同时能够不受场地的限制，提高了 系统的适应能力，使其能在复杂的条件下正常工作。 在实现整个系统网络化的同时，该系统的每个单机同时具有良好的独立性，在没有上位机 监控软件的管理下仍然能够正常独立的工作，实现监测输液速度与报警的功能。 该系统结构简单，可靠性强，能够适应各种复杂的环境，同时上位机管理系统也能够与医 院现在的管理信息系统相结合实现管理一体化，进一步的提高医院管理的水平与效率。该系统 的成本低廉，适于在大、中、小医院进行大规模的推广。 1 4 论文内容与创新点 本课题主要涉及基于无线网络的智能输液控制系统中的无线模块的控制与传输，光电信号 的采集与放大，嵌入式系统的软、硬件设计，数据接收模块与上位p c 机的通信以及上位p c 机 的输液监控软件管理系统的开发。 无线数据传输芯片的控制与传输包括无线传输芯片的选型，无线传输芯片的供电设计，无 线传输芯片与微控制器的接口与通信，无线模块之间通信传输速率的选定、通信信道的选择以 及无线模块嵌入式程序的编写等工作。 本课题目的最终目的是完成一套基于无线网络的智能输液控制系统，实现p c 、无线模块、 输液监控器之间的正常通信，能够达到设计要求，通过p c 机能够对各输液监控器进行控制和 对输液记录的管理。 第二章介绍基于无线网络的智能输液控制系统的整体结构，系统每一部分所能实现的基本 功能，以及实现每一部分所设计功能用到的技术手段与方法。 第三章介绍输液控制器的开发过程，围绕以下几个部分展开，l 、液滴检测的实现方法。从 液滴信号的采集、放大、整形、滤波、液滴滴速的计算展开，给出硬件实现的原理，放大电路 的设计方法，设计单片机的嵌入式程序的流程图与伪代码以及液滴检测部分的误差分析等等。2 、 动控制器的设计。介绍实现控制滴速的原理和方法，给出制动控制器的驱动电路，制动控制器 齿轮传动机构的设计等。3 、介绍滴速显示模块与报警模块的设计与实现方法。 第四章介绍输液控制器系统功能与电路设计，给出了制作p c b 电路板和放置电路元器件时 所遵守的一些规则。 第五章介绍无线传输与多点识别的设计与实现。主要内容有无线模块的选型，无线通信原 理和通信过程中的多点通信协议的设计与研究以及防止干扰增强无线传输的可靠性等内容。 第六章介绍上位p c 机监控软件开发设计过程。包括开发环境的选择、监控软件的系统结 构设计等内容。 第七章是总结与展望，介绍对整个系统的硬件电路测试、无线传输距离测试、无线传输抗 干扰测试、监控软件工能测试以及整体可靠性测试等。并且对此系统的进一步功能完善提出建 3 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 用无线网络作为远程输液监控系统的数据传输方式，大大提高了本系 对使用环境的要求，并且能够跟据输液患者的数量灵活的增加或减少 具体监控器数目限制。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章基于无线网络的智能输液监控系统的总体设计 本章首先对市面上已经存在的输液监控器产品的优缺点进行了总结与分析，然后介绍了本 文所要研发的智能输液控制系统的总体设计与结构。 2 1 需求分析 需求分析是确定设计任务和目标，系统的总体设计与整体结构主要是基于对市场需求的全 面而准确分析。通过对多家医院和患者的调查，大都希望此类产品能够尽早推广使用，这样将 使传统的输液管理模式得到一个比较大的转变，同时也能够极大的缓解广大医护人员的劳动强 度，提高患者输液治疗的质量，大大的减少输液事故的发生。 实际上我国早在十几年前就开始引进国外的输液监控产品【1 8 o l ，这种产品能够精确的控制 输液速度，能够实时监测输液过程中出现的输液阻塞与气泡混入的情况，出现上述情况时能够 报警通知医护人员前去护理，当输液完成时自动阻断输液软管以防止“回血”现象发生同时发 出警报通知医护人员。但是因为其成本较高和不方便使用等因素，只有少量有实力的大型医院 在其i c u ( i n s e m i v ec a r eu n i t 重症监护室) 病房有配割2 1 。2 3 1 。虽然目前国内已有大量的同类型 产品上市，但此类国内产品在其基本功能上仍然是偏重于精确的输液速度的控制，而且其售价 相对于大量的普及仍然偏高，所以也只能与进口产品争夺有限的市场份额。另外对于高精度的 输液监控产品也仅限于某些少数特殊病人与特殊药品才有实际的意义。只要在规范化操作下， 输液过程中的输液管阻塞、气泡混入等情况是可以避免的，因此，在输液完成时报警和自动关 断输液软管防止回血现象的发生成了研制输液监控器的一个热门课题。作为一种医疗器械，安 全可靠是基础，作为一种只有普及到每一位输液病人才有实际意义的产品，使用方便和足够低 的价格又成了一种基本要求。 通过调研与讨论，基于无线网络的智能输液控制系统应具有符合如下条件的功能： 上位p c 机能够监控多台位于输液患者一端的输液监控仪，并能进行统一管理。 p c 机与输液监控仪传输距离不少于8 0 米。 输液监控仪能够对输液滴速( 滴分) 进行监测，误差茑滴，分。 当输液完成时p c 机与输液监控器同时报警，输液监控器自动阻断输液软管并停止输 液。 没有p c 机监控的情况下，输液监控仪也能独立工作，完成滴速( 滴分) 的监测并在 自带的显示屏上显示出来，输液完成时能自动阻断输液软管并报警。 无线数据传输系统有良好、高效的通信协议，抗干扰能力强。 5 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 系统管理软件能够对各个输液监控仪采集到的数据进行分析处理，并能将数据存入数 据库，日后患者能够通过相应的编号查询当日的输液记录。 整个系统应具有较高的可靠性、方便使用，同时成本也应控制在不超过2 0 0 元的合理 范围之类。 2 2 系统设计 基于无线网络的智能输液控制系统主要由硬件与软件两大部分组成，如图2 1 所示。根据 需求分析，在本系统中，上位p c 监控机和输液监控仪的连接采用“星型拓扑”模型，如图2 2 所示。p c 和无线适配器处在模型的中央，各输液监控仪处于系统的外围，上位机和输液监控仪 通过点对多点的方式进行数据传输。在系统中，由无线适配器负责各输液监控器与上位p c 机 之间所有的通信传输传输连接。 6 图2 1 系统各组成部分图 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 1 硬件设计 无：飞 无线接收器 i i 图2 2 系统拓扑图 本系统的硬件部分包括无线数据传输模块、液滴检测与监控模块、输液阻断控制器、实时 滴速( 滴分) 显示屏、m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t 多点控制单元) 及其外围电路等部分( 如 图2 3 所示) 。主要的工作有电子器件的选型、电路设计与调试、电源供电设计等等。 图2 3 输液监控器硬件组成图 液滴检测与监控模块能够实时监控输液速度( 滴分) 。为了保证能够可靠、有效、精确的 监测输液速度( 滴分) ，液滴检测与监控模块的硬件电路设计成为了整个硬件部分设计的关键 技术之一，从光电液滴检测器的选型，到对采集到的微弱信号的时行放大、滤波、计算都必需 在保证测量精度的前提下进行，尽量减小在工作过程中出现的失真与误差。 电源供电设计与电子器件的选型对于整个硬件系统的设计也是非常重要的，良好的电源供 电设计能够保证整个系统安全、稳定的工作，整个电路系统的功耗、稳定性以及硬件系统的成 本都与是否选择了适当的电子器件都有着密切关系。 7 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 2 2 2 软件设计 本系统的软件部分分为嵌入式程序软件的编写和上位p c 机可视化程序的编写两部分的工 作。嵌入式程序的功能在于驱动输液监控器的各个功能模块，保证各功能模块按照设计要求实 时的采集、传送信息，嵌入式程序的流程图如图2 4 所示【舡9 1 。p c 上位机软件所实现的功能是 帮助医护人员能够远程实时监控患者的输液情况，嵌入式程序的作用是保证用户能够良好的驱 动硬件电路中的各个部分，实现用户所需实现的功能【2 1 。2 3 1 。软件部分的主要工作包括嵌入式系 统中各个器件的驱动程序设计、无线数据传输模块的通信协议设计、p c 机输液监控软件设计。 其中，p c 机输液监控软件设计的主要工作又分为：数据传输模块设计、患者信息模块设计、输 液监控与记录模块设计这三个主要方面，软件结构图与框图分别如图2 5 、2 6 所示。 8 图2 4 输液监控仪嵌入式程序流程图 t 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 5 监控软件系统结构图 图2 6p c 机监控软件系统框图 为了达到产品需求分析中无误、高效的传输数据的要求，无线数据传输模块嵌入式驱动程 序设计、无线通信协议设计和无线接收模块与p c 上位机通信协议成了整个软件设计部分的重 点与难点。 2 3 本章小结 通过对基于无线网络的智能输液控制系统的需求分析与系统功能分析，把系统从功能上划 分为无线接收适配器、输液监控器和输液监控管理软件三个子系统，并对三个子系统分别进行 了分析说明，同时分析了各子系统的逻辑结构和在系统中的作用。对系统进行了总体设计，系 统采用了“星型拓扑”的结构设计，p c 上位机以及与其连接的无线接收器处于整个系统的中心， 输液监控仪处于系统的外围。同时，在传输方式上选择了无线传输，确定了与p c 上位机相连 9 基于无线网络的智能输液控制系统的研制 的无线接收器的工作模式。 南京航空航天大学硕+ 学位论文 第三章输液控制器开发 本章介首先绍了输液控制器的电源设计与选择，然后详细介绍了红外传感器的分类及红外 光谱的应用，最后介绍了利用所选定的红外光电传感器实现液滴无损检测的实施过程及方法。 3 1 电源设计 在整个单片机系统设计中，电源的设计是需要首先考虑的，不同的电源方案决定了整个系 统的方案选择和器件选择1 3 0 - 3 3 1 。为了提高输液控制器的安全性与可用性，防止停电对整个系统 的影响，系统设计了可充电电池作为后备供电能源，在外接电源供整个系统工作的同时也给可 充电电池充电，一旦停电输液控制器能够自动转为由充电电池提供电能。这样就能将外界停电 对系统的影响降到了最低，同时也大大的方便了输液患者与医务人员，使患者在整个输液过程 中能够在不受外接电源的限制，有了一定的活动空间，医务工作者也能全程的监控每一位患者 的输液进程。 在本输液控制器系统中选用了m s c 5 1 系列单片机为作为主控m c u ，它的工作电压在 2 7 6 v 之间，另外采集所用的红外光电发射接收对管，放大电路，制动控制所用的微型直流电 机的工作电压都为5