无线通讯式输液监控系统的设计

张 玉

ZHANG Yu

（桂林理工大学 机械与控制工程学院，桂林 541004）

0 引言

静脉输液是医院中常用的治疗方式，在输液治疗过程中，需要根据药物和患者病情选择合适的静脉输液速度。目前，对静脉输液的监控普遍采用人工方式，医护人员要不定时的进行巡检，以确定输液速度是否合理，输液是否即将结束。如果没有及时换药或拔针头，将有可能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，重则发生严重医疗事故，影响患者的生命安全[1]。

目前，传统的病房呼叫系统多采用二线制、四线制或RS485等有线传输方式，需要在医护值班室和病房之间铺设线路，安装布线复杂，维修检查困难，系统扩展胜不强，而且实现的功能较少，仅仅只是呼叫功能。随着计算机控制技术、电子信息技术和网络通信技术的广泛应用，现代监测系统的自动化程度越来越高，无线通讯技术在自动监测领域得到了广泛的应用。本文在总结国内外研究成果的基础上，结合医院的实际要求，提出以单片机AT89C51和nRF905无线收发芯片为控制核心，采取应答式双向通信的输液监控系统，能实现输液速度自动调节，输液完成报警，自动切断输液，远程监控等功能。系统稳定可靠，具有很好的应用前景。

1 系统总体框图

系统由上位PC主机、监控接收总站节点、现场监控子节点等模块组成。通过无线传输模块将各监控子节点连接成一个分布式网络，系统采用了星型拓扑结构，由一个与上位PC主机相连的无线通信模块作为系统的控制中心，可以跟控制系统中的任何一个监控子节点通信，负责各病床输液数据的接收与管理、控制命令的发送、输液过程的实时显示等。监控子节点分布在各个病床旁，负责对输液的控制，并且对上位机控制中心发来的数据、命令进行分析处理，完成相应的操作。监控子节点也可以脱离控制中心，直接进行现场手动控制[2]。系统结构如图1所示。建立一个无线网络的前提和基础是选择一个合理的网络拓扑，网络拓扑的结构可以决定网络的成本、速度、特点和实现的功能。该控制系统采用的星型拓扑结构能够很好地扩展组合，容易增加系统中节点，满足医院在以后增减床位的需要，而且成本低。实践证明，星形网络结构简单，实用可靠。

图1 系统结构框图

2 无线传感器选择

无线传感器的选择在整个系统设计中非常关键，其性能好坏直接影响到系统的可靠性，该系统中的无线通信模块应具有如下特性：具有发送、接收双向通讯功能，较低的工作电压和较小的工作电流，较强的抗干扰能力及载波检测功能等。考虑到医院有多间病房，并且医务监控室与病房之前的距离，我们选取的无线传感器其有效传输距离应该不低于200米。

综合以上要求，本系统选用挪威Nordic公司生产的无线芯片nRF905，nRF905工作电压可低至1.9V，最大发射功率10 dBm时的电流消耗小于30 mA，通信速率可以达到100 Kbps，具有曼切斯特编码、地址匹配、载波监听和自动CRC校验等功能。我们选用433 MHz的ISM频段，具有较强的穿透能力和较远的传输距离，可实现室内的较远距离传输[3]。该无线通讯模块主要由三部分组成：nRF905及其外围电路、功率放大以及信号收发电路、电源电路。模块组成框图如图2所示。

图2 无线通讯模块结构示意图

3 电源电路

电源模块为整个传感器节点提供电压，无线通讯模块的电源电路图如图3所示。无线模块的输入电压设计为5V，使用TPS76333稳压芯片输出3.3 V电压，使用TPS7301稳压芯片输出4.9V电压。RF_PAEN为单片机控制的4.9V电源开关控制引脚，只有当无线通讯模块处于TX模式时才会使能TPS7301芯片，当处于其它模式时，TPS7301芯片均不开启，从而减少功耗[4]。

图3 电源电路图

4 无线通讯信号功率放大电路

基于nRF905的无线通讯模块信号功率放大电路如图4所示，采用ADL5530功率放大芯片对nRF905的输出信号进行放大，供电电压为5V时，单片射频收发器nRF905信号发射功率+10dBm，经ADL5530功率放大芯片放大后，信号发射功率提高为25.7dBm，从而大大的提高了通讯距离，使整个系统更加稳定[4]。

图4 无线通讯模块信号放大电路

5 无线通讯模块软件设计

5.1 无线发射软件设计

当控制模块开始向接收端传输数据的时候，经过SPI接口将所要用的接收端的地址和有效数据依一定的时序发往nRF905，发送的速率通过已经设定的协议，或者是控制模块的接口设置[5]。通过控制模块拉高TRX_ CE、TX_ EN的电平，这样就启动了nRF905的Shock Burst工作方式。一旦AUTO_RETRAN这个端口为高电平，就意味着nRF905需要不停发送之前的数据，一直等到TRX_ CE变为低电平。一旦TRX_ CE变为低电平，结束数据的传送，并进入待机模式中。在TRX_CE维持在高电平，TX_ EN为低电平时，说明已经将数据报发送完，接下来启动数据的接收模式。图5 显示的是发送模式流程图。

5.2 无线接收软件设计

无线接收软件设计流程图如图6所示，首先把TRX_ CE拉高，TRX_ EN拉低，然后选择Shock Burst作为接收数据时的模式[5]。nRF905开始侦听周围环境中是否有信号，一旦监测到了某一载波频率和自己频率一致时，即拉高CD引脚。接下来在接收到传输过来的有效地址时，把AM引脚拉为高电平。经过CRC检测，确认收到了有效数据时，把数据头上的前导地址以及CRC位去掉，然后DR被拉高。控制模块拉低TRX¬¬_CE，然后启动了待机模式，控制模块以一定的速度经过SPI口读出数据。一旦读取完了全部的数据后，拉低AM和DR。一旦TRX_ CE被拉高，并且TX_ EN也被拉高时，nRF905将进入Shock Burst发送模式，把当前SPI寄存器里面的数据发送出去。

图5 无线发送流程图

图6 无线接收流程图

6 键盘模块

现场监控子站键盘电路用于设定点滴速度，根据药液类型以及患者特征等因素，点滴速度一般为10 ～200滴/分，因此，利用三位数码显示管即可实现滴速显示。本系统因使用的按键较多，故采用矩阵式（也称行列式）键盘，选择单片机AT 89C51的P0.0～P0.3口与7段译码器74HC4511的A 、B 、C 、D管脚相连，对数码管提供数据。P0.4～P0.6作为行选信号与数码显示管相连；将P1.0～P1.7作为按键接口，实现功能按键与单片机的输入连接，键盘及显示电路如图7所示。

图7 键盘显示电路

7 可视化监控界面

输液监控管理软件是在 Windows环境下的一个可视化窗口程序，是一套操作简便、具有实用价值的软件。可视化监控界面用于医疗单位的输液监控，由下位机完成数据检测、执行，上位机进行集中管理，并实现形象直观的可视化操作界面，上位机的输液监控可视化软件不但可以形象地显示输液瓶内液体的液位，还能以准确实时地显示床位、限定速度、即时滴速、输液总量、已输入量和剩余时间等信息[6]。本可视化软件采用VB实现，上位机的主界面如图8所示。护理人员可以通过上位机软件查看所有输液信息的记录，设定各个正在工作的监控器的数据信息。遇到紧急情况上位机会同步报警，护理人员可直接在上位机停止输液。

图8 可视化监控界面

8 结束语

本文设计的以nRF905无线通讯模块和AT89C51单片机为核心的监控输液系统，满足了临床输液监护的需要。该输液监控系统对输液过程进行了实时监控，实时检测输液速度以及输液是否结束，并能对输液速度进行调整，当输液即将结束时发出报警信号，代替了传统的人工不定时的巡检，使医护工作人员在工作强度大大降低的情况下提高了监护质量，具有一定的实际意义。现场使用表明，该系统功能完善、通信可靠、安装施工简中、易于扩展，比现有的有线呼叫系统更有优势。

[1]刁惠民,詹宪凤,季兵.静脉输液监控系统的研制[J].解放军护理杂志,2009,26（2A）：73-74.

[2]田学隆,林芳钦.基于光电传感器的液位检测方法与装置[J].传感器与微系统，2009,28（10）：73-75.

[3]题原,宋飞,刘树东,王艳春.基于nRF905的无线温湿度检测与传输系统设计[J].2011,38（4）：404-407.

[4]崔巍.基于无线通讯技术的MOA状态监测系统研究[D].上海交通大学,2010

[5]王昕.基于nRF905射频芯片的无线温度采集系统的研制[D].浙江工业大学,2010.

[6]钟军.Visual Basic数据库高级实例导航[M].北京科学出版社,2004.