羅藝嫻，?？?，鄒瀟晗，曾偉，許廣慶

（云南大學(xué)信息學(xué)院，云南昆明 650500）

目前，我國經(jīng)濟發(fā)展快速，但現(xiàn)階段國內(nèi)只有少數(shù)醫(yī)院在輸液時使用智能系統(tǒng)來優(yōu)化傳統(tǒng)輸液方式，大多數(shù)醫(yī)院仍然依靠人工監(jiān)督輸液狀態(tài)。人工監(jiān)督方式不但增加了醫(yī)護人員的工作量，而且也存在獨自輸液的病人在輸液狀態(tài)異常時不能及時求助等問題。針對這些問題，設(shè)計一款基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺的輸液監(jiān)控系統(tǒng)——Anxin（取自中文“安心”），醫(yī)護人員通過遠程監(jiān)控平臺能夠高效管理病患，病人家屬可以通過手機APP 實時監(jiān)控病人情況，實現(xiàn)了輸液系統(tǒng)的自動化和網(wǎng)絡(luò)化管理。新技術(shù)與醫(yī)療的結(jié)合已經(jīng)成為社會發(fā)展的必然趨勢?？梢苿有詮姟⒅悄芑叩奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用給人們展現(xiàn)了一個高效、便捷、可靠的醫(yī)療衛(wèi)生前景[1]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)主要針對解決靜脈輸液中的問題進行智能化設(shè)計[2]，如病人在輸液時可能處于無意識狀態(tài)，無力通知護士來關(guān)閉輸液系統(tǒng)，以及輸液過程中病人出現(xiàn)跑針、過敏和體征危機反應(yīng)等危險現(xiàn)象無法及時通知醫(yī)生護士和家屬，從而導(dǎo)致醫(yī)生、護士和家屬有效監(jiān)護困難，醫(yī)生治療反饋滯后等問題。

1.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計方案主要由3 部分組成：下位機是以STM32F103ZET6 為核心的主控板[3]，在其上集成ESP8266 WiFi模塊、HMI串口液晶觸摸屏模塊、HX711壓力傳感器、Eixpsy 槽型光耦傳感器、MG996R 金屬舵機和蜂鳴器，上位機為PC 端的網(wǎng)頁和手機端的APP。下位機通過ESP8266 WiFi 模塊連接至阿里云平臺后，使用MQTT 協(xié)議與上位機進行通信。系統(tǒng)方案框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案框圖

1.2 系統(tǒng)功能與指標(biāo)

系統(tǒng)工作流程如下：

病人進行靜脈輸液時，下位機上Eixpsy 槽型光耦傳感器采集實時滴速數(shù)據(jù)，壓力傳感器采集實時余量，在HMI 顯示屏上顯示；MG996R 金屬舵機控制當(dāng)前輸液的通斷；蜂鳴器提供警報功能，當(dāng)輸液狀態(tài)發(fā)生異常時，主控板向蜂鳴器發(fā)送指令，使蜂鳴器警報發(fā)出提醒，同時給舵機發(fā)指令使其阻斷輸液過程；主控板上的ESP8266 WiFi 模塊將實時的滴速數(shù)據(jù)、余量信息和輸液狀態(tài)的信息發(fā)送到云平臺，云平臺再通過MQTT 協(xié)議下發(fā)至手機端和PC 端。

病人家屬可以通過手機端了解病人的輸液狀態(tài)及實時定位信息，而病人本身可以通過手機APP 對自身的輸液狀態(tài)進行查看，也可通過按鍵對輸液進行開關(guān)控制[4]。

醫(yī)護人員通過PC 端可實時檢測到每個科室所有病床病人[5]當(dāng)前的剩余藥液容量、當(dāng)前實時滴速、預(yù)計輸液時間；同時還可以看到床位的空缺情況，方便醫(yī)護人員安排病人進行輸液，當(dāng)某病床出現(xiàn)異常時，PC 端也能提醒醫(yī)護人員[6]。

2 系統(tǒng)硬件介紹

系統(tǒng)硬件以STM32F103ZET6為核心形成主要的控制系統(tǒng)，附加蜂鳴器模塊、舵機控制模塊、ESP8266 WiFi 模塊、HX711 壓力傳感器、Eixpsy 槽型光耦傳感器等。

2.1 STM32F103ZET6嵌入式主控板

STM32F103ZET6嵌入式主控板搭載芯片STM32，有144 引腳，容量大，芯片內(nèi)嵌資源豐富[7-8]，其I/O 口除啟動引腳外都引出，下載、串口調(diào)試、通信三合一，便于連接智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)所需要的傳感器模塊。

2.2 Eixpsy槽型光耦傳感器

Eixpsy 槽型光耦傳感器在有遮擋時輸出高電平，此時燈滅；無遮擋輸出低電平，此時燈亮。通過Eixpsy 槽型光耦傳感器可以檢測當(dāng)前輸液液滴的滴速以及當(dāng)前輸液是否正常工作。

2.3 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊內(nèi)部帶震蕩源，只要通電即可鳴叫。當(dāng)I/O 口輸入高電平時，蜂鳴器鳴叫發(fā)出警報，也可在輸液狀態(tài)異常時發(fā)出警報。

2.4 ESP8266 WiFi模塊

NodeMCU 開發(fā)板板載天線支持完整的TCP/IP協(xié)議棧。文中系統(tǒng)可以使用該模塊為現(xiàn)有的輸液設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，并使其接入阿里云，完成軟硬件數(shù)據(jù)的交互。

2.5 HMI串口液晶觸摸屏模塊

HMI 串口液晶觸摸屏可以作為LCD 顯示屏，顯示患者當(dāng)前的輸液信息，以便患者和家屬了解當(dāng)前的輸液狀態(tài)。

2.6 HX711壓力傳感器

HX711 是一款高精度稱重傳感器芯片[9]，芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件，HX711 壓力傳感器可以簡單有效地測量當(dāng)前輸液瓶中的余量，并且及時上傳數(shù)據(jù)。

2.7 MG996R金屬舵機

舵機的控制需要一個20 ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2 ms，通過PWM 的方式來控制舵機的旋轉(zhuǎn)角度，比如舵機旋轉(zhuǎn)180°將輸液開關(guān)關(guān)閉，控制輸液的狀態(tài)，舵機旋轉(zhuǎn)60°將輸液的滾輪往下滑從而控制輸液滴速[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機的程序設(shè)計

系統(tǒng)以STM32單片機為核心，在系統(tǒng)中連接WiFi、壓力傳感器、HMI 觸摸屏、測速、舵機等模塊，軟件設(shè)計部分具體可以分為控制信號的收發(fā)、單片機的控制、與云端信息交互和輸液信息的顯示4 部分。當(dāng)WiFi、壓力傳感器等模塊初始化完畢后開始進入整個系統(tǒng)的運作。系統(tǒng)的輸液狀態(tài)檢測設(shè)置由壓力傳感器、測速模塊完成，壓力傳感器不斷地獲取輸液余量，測速模塊不斷測量輸液速度；而控制信號的收發(fā)主要是控制舵機、輸液速度以及蜂鳴器的工作狀態(tài)。輸液狀態(tài)的顯示使用串口收發(fā)完成，利用串口的外部中斷向HMI 觸摸屏發(fā)送實時數(shù)據(jù)，同時接收HMI 觸摸屏發(fā)送至主控系統(tǒng)的控制指令，實現(xiàn)人機交互。下位機通過WiFi 模塊實現(xiàn)與阿里云平臺的實時數(shù)據(jù)交互，進而將數(shù)據(jù)傳至上位機。下位機程序設(shè)計圖2 所示。

圖2 下位機程序設(shè)計圖

3.2 上位機軟件設(shè)計

3.2.1 手機APP的設(shè)計

手機APP使用Andriod studio軟件進行開發(fā)設(shè)計[11]，并使用了MobTech 數(shù)據(jù)智能開發(fā)平臺、阿里云平臺、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等技術(shù)手段。數(shù)據(jù)庫采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，用戶信息等存儲在數(shù)據(jù)庫中。利用安卓開發(fā)的四大組件[12]編寫出具有網(wǎng)絡(luò)連接等功能的Anxin 手機端。功能模塊分為用戶管理、任務(wù)管理和注意事項三大模塊，具體為實現(xiàn)用戶注冊登錄、通過按鍵控制輸液、實時顯示輸液的各項信息、對輸液速度不當(dāng)作出預(yù)警提示等功能。Anxin 手機端功能模塊設(shè)計如圖3 所示。

圖3 Anxin手機端功能模塊設(shè)計

3.2.2 PC端軟件設(shè)計

PC 端軟件設(shè)計主要包括主控制系統(tǒng)、警報模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計。當(dāng)用戶進入系統(tǒng)后，界面顯示當(dāng)前時間各個病人的輸液狀態(tài)等信息。下位機對病人各項數(shù)據(jù)進行收集，通過MQTT 協(xié)議向云端上傳數(shù)據(jù)，PC 端訪問數(shù)據(jù)后呈現(xiàn)給醫(yī)護人員，當(dāng)病人各項數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，PC 端就會收到消息，發(fā)出警鳴提醒醫(yī)護人員采取措施。PC 端軟件設(shè)計圖如圖4 所示。

圖4 PC端軟件設(shè)計圖

3.2.3 Web可視化界面設(shè)計

文中采用阿里云的IOT Studio 來進行界面功能設(shè)計[13]，IOT Studio 是阿里云針對物聯(lián)網(wǎng)場景提供的生產(chǎn)力工具，用戶無需編寫代碼，只需要將組件從編輯器里拖動到指定位置，再對組件樣式、數(shù)據(jù)源和交互方式進行配置，以快速完成設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控相關(guān)的Web 應(yīng)用。開發(fā)完成的Web 應(yīng)用可以直接在阿里云服務(wù)器上托管運行。

3.2.4 MQTT協(xié)議

MQTT 協(xié)議用于完成數(shù)據(jù)傳輸，各個傳感器檢測到數(shù)據(jù)后，下位機通過MQTT 協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。MQTT 是基于TCP/IP 連接并基于發(fā)布/訂閱模式下的通信協(xié)議[14]。此外，MQTT 基于異步發(fā)布/訂閱的實現(xiàn)解耦消息發(fā)布者和訂閱者，基于二進制的實現(xiàn)節(jié)省了存儲空間及流量。同時，MQTT 擁有更好的消息處理機制，相對于HTTP 和XMPP，MQTT 可以選擇用戶數(shù)據(jù)格式，解析復(fù)雜度低，同時MQTT 也可用于手機推送等領(lǐng)域。

4 系統(tǒng)測試

該測試主要針對系統(tǒng)中的主要模塊進行檢測，以保證系統(tǒng)能夠有效運行。測試設(shè)備為裝有Keil5的PC 機、安卓手機、串口調(diào)試助手、阿里云云端數(shù)據(jù)庫、220 V/5 V 電源。

4.1 主要硬件模塊測試

4.1.1 輸液狀態(tài)檢測

1）輸液余量檢測：在初始化完成后獲取稱重模塊經(jīng)HX711 轉(zhuǎn)換后的電信號，并將數(shù)值上傳至串口調(diào)試助手以備調(diào)試使用；得到的數(shù)據(jù)再經(jīng)過人為標(biāo)定和轉(zhuǎn)換后得到以毫克為單位的數(shù)據(jù)，即為最終使用數(shù)據(jù)。

2）輸液速度檢測：在初始化完成后可實時獲取測量到的電信號，有遮擋為1，無遮擋為0，并由此配合定時器的時鐘信號，檢測兩滴液滴的時間差，進而推算輸液速度。測量的數(shù)據(jù)和經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)均上傳至串口調(diào)試助手進行記錄和調(diào)試。

4.1.2 控制信號檢測

1）按鈕控制信號檢測：按鈕輸入信號為數(shù)字信號，即0 和1，根據(jù)數(shù)字信號檢測按鈕輸入的信號并執(zhí)行相應(yīng)操作，按下一次執(zhí)行一次，用LED 燈的亮滅反映按鈕控制的結(jié)果，并進行調(diào)試，調(diào)試沒問題后改為按鈕控制舵機和蜂鳴器，說明已達到最終控制效果。

2）HMI 觸摸屏控制信號檢測：HMI 觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)過串口，因此直接將數(shù)據(jù)再上傳至串口調(diào)試助手，得到每一次HMI 觸摸屏傳回主控板的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后得到相應(yīng)控制指令，并用LED 燈的亮滅反映控制的結(jié)果，由此進行調(diào)試，調(diào)試無誤后改為HMI 控制舵機和蜂鳴器，說明已達到最終控制效果。

4.1.3 ESP8266 WiFi模塊同云端通信檢測

ESP8266 WiFi 模塊同云端相連后，進行數(shù)據(jù)調(diào)試，將交互的數(shù)據(jù)均上傳至串口調(diào)試助手，分析數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的正確性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[15]，并同時和各模塊檢測到的數(shù)據(jù)進行對比，判斷云端數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)是否有誤差，更改定時器分頻率后多次試驗，由此達到最終實際應(yīng)用效果。

4.1.4 舵機控制測試

通過設(shè)計定時器PWM 模式，并通過按鈕實際控制舵機的轉(zhuǎn)動情況，保證舵機轉(zhuǎn)動力度和角度的準(zhǔn)確性，進而達到用舵機控制輸液器調(diào)速裝置，實現(xiàn)輸液速度的控制。

4.2 手機端APP主要功能測試

4.2.1 手機端用戶管理功能測試

對手機APP 進行用戶注冊、登錄、修改資料、用戶修改頭像、退出當(dāng)前登錄用戶等功能進行測試，并對用戶管理的容錯性進行測試[16]，比如注冊時兩次輸入設(shè)定的密碼不同、輸入的注冊手機號格式不正確等狀況，APP 應(yīng)進行相應(yīng)提示。還要對鏈接的MySQL 數(shù)據(jù)庫的有效性進行驗證，在注冊成功、修改資料等情況時，查看數(shù)據(jù)庫是否發(fā)生相應(yīng)變化[17]。

4.2.2 手機端定位功能測試

對病人手機APP 的定位功能進行測試。當(dāng)開啟病人手機定位服務(wù)時，查看家屬手機APP 端以及護士站PC 端可以獲取到該病人的實時定位。

4.2.3 手機端數(shù)據(jù)上云，云數(shù)據(jù)下發(fā)至下位機測試

在病人手機APP中設(shè)置病人的年齡以及疾病，觀察云平臺中是否成功獲取到正確的數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)進行分析，下發(fā)最適合的輸液滴速范圍給下位機主控板，主控板再根據(jù)當(dāng)前滴速是否處于合適的輸液滴速范圍來決定是否對輸液速度進行調(diào)整，若處于范圍內(nèi)則不作調(diào)整，否則調(diào)整至合適范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

文中主要完成了系統(tǒng)的硬件模塊搭建、軟件系統(tǒng)設(shè)計，并對系統(tǒng)進行了測試。最終Anxin 實現(xiàn)了醫(yī)護人員、病人及其家屬對輸液的智能化監(jiān)控，提升了醫(yī)護人員的看護效率以及輸液治療過程的安全性，讓病人、家屬、醫(yī)生人員更加安心、放心。通過多次測試，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)還有待進一步完善和升級，可將原系統(tǒng)進一步發(fā)展為更豐富的監(jiān)控系統(tǒng)。