基于 STM32 单片机的智能输液监控系统设计与实现

唐谦，王旭启

（西京学院 电子信息学院，陕西西安，710123）

0 引言

我国是一个人口大国，染上不同疾病的患者也十分多，随着现代医疗技术的进步和智能化的需求增加，传统的人工监测已经不能满足现代医疗的需求。在现代临床医疗中，静脉输液是最重要的治疗方法之一。当前患者输液时主要由医务人员不断巡视或家属陪护完成，从而防止由于患者输液量大、耗时久而出现医疗事故[1]，同时因人工监测工作量大、存在不够精确等问题，并不能快速且准确地得到患者实时输液信息，这增加了医护人员工作量以及患者家属的担心。本文是基于 STM32 系列单片机通过传感器监测患者输液的实时信息，判断输液瓶内有无药剂，控制输液滴速和温度，及时发出警报通过蓝牙将患者输液信息传送到用户的终端，以此减少医务人员工作量，让患者安心就医的同时减少患者和家属的精神压力。

1 总体方案

本系统的实现主要以 STM32F103C8T6 单片机为控制模块，由输液滴速监测与控制、输液温度监测与温度加热、蓝牙无线传输、OLED 液晶显示屏以及蜂鸣器报警六个部分组成。本系统旨在实现患者输液数据采集、控制和显示功能，同时设计报警机制，确保输液过程中异常情况的及时发现和处理。将单片机启动后，OLED 液晶显示屏可以显示患者输液瓶内的药剂有无、输液速率、药剂温度的相关信息。该系统具有按键控制，能够根据每一位患者的体质设定输液速率范围和药剂温度的参数，单片机通过槽型光耦传感器和DS18B20 传感器获得的信息与设定的参数进行对比。若超出设定范围，蜂鸣器会进行报警，并驱动步进电机模块和继电器温度控制模块调整患者的输液速率和温度，使得患者输液更舒服。

图1 系统结构图

2 硬件设计

■2.1 控制模块

控制模块采用 STM32F103C8T6 单片机作为核心芯片，它拥有 72MHz 的主频，64KB 的 Flash 存储器和 20KB 的SRAM 存储器以及 7 个定时器，并且具有多个中断控制器，有很好的控制、信息传送能力，使用成本很低。

■2.2 输液滴速监测与控制模块

本系统使用槽型光电传感器完成对患者输液速率的监测，该传感器尺寸小，不会对药剂产生污染，响应灵敏度高，所测数据精度高，不影响患者正常恢复。输液速率监测原理图如图2 所示。

图2 输液速率监测原理图

当需要加快或减慢患者输液滴速，输液滴速的控制依靠的是步进电机，当所测的输液滴速不在预设值范围内时，STM32 单片机会控制步进电机的正转或反转驱动输液滑轮对输液管的压力，达到增加或降低患者输液管内药剂滴速的效果。步进电机重量轻，所测数据误差小[2]，便于在本系统安装。

■2.3 输液温度监测与温度加热模块

本系统监测药剂温度使用 DS18B20 温度传感器，所测的数字温度数据可直接输出，大大提高了输液监测的抗干扰性，所测数据温度精度高[3]，用常见的数据线连接就可使用，具有较高的灵敏度及稳定性。

药剂温度主要通过继电器对输液瓶的加热完成，在温度较冷的输液环境下，用户可以在输液前使用按键或手机端设置输液瓶内的温度，同时当监测到的输液温度数据不在预设范围内时，本系统会驱动继电器模块加热[4]。继电器电路如图3 所示。

图3 继电器原理图

■2.4 蓝牙无线传输模块

本系统使用 HC05 蓝牙无线传输模块。该模块可以将当前患者的输液信息在用户的手机端进行显示，同时也能利用手机端对当前的数据进行控制[5]。HC05 模块作为蓝牙串口模块，可与具有蓝牙功能的设备配对。而且该模块和3.3V或 5V 的单片机系统相兼容，极其简单且灵活。

■2.5 OLED 液晶显示模块

OLED 液晶显示适用于本系统这类中小型产品，其通常用于显示字母、数字、符号等内容，OLED 显示技术分辨率高、亮度高、节能，且更加轻薄，使用起来灵活[6]。

■2.6 蜂鸣器报警模块

蜂鸣器报警是本系统设计中的核心部分，对所采集患者输液信息的结果向外界反馈，然后将所采集信息传输到 OLED 液晶显示屏和医护人员终端。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，使用直流电压供电，当监测到药剂滴速和药剂温度不在预设阈值范围内时，蜂鸣器会报警并亮灯。蜂鸣器电路如图4 所示。

图4 蜂鸣器电路

3 软件设计

本系统的实现主要通过 Keil5 开发环境，根据所有功能采用的模块化设计和逻辑编程[7]，运用槽型光耦传感器和 DS18B20温度传感器实时监测患者输液滴速和温度，当监测到的数据不在预设范围内，蜂鸣器会进行报警并发光，同时驱动步进电机或继电器进行相关调整，同时本系统实时监测患者输液药剂瓶内药剂有无，提醒医护人员拔针或更换药剂瓶。保证输液正常进行时，患者可以根据自己的体质，对输液滴速或药剂温度通过按键或手机端完成设置。软件设计流程图如图5 所示。

图5 软件设计流程图

4 测试

■4.1 硬件测试与焊接

对本系统使用的各个模块进行调试，观察硬件是否存在故障，再使用电焊枪将各元件焊接在电路板上，其间要注意线路，避免出现接反正负极或发生短路。

■4.2 实物演示

将各元器件焊接完成后，接电，硬件测试即用 keil5 进行程序编译、调试并下载到 STM32F103C8T6 单片机，即可在 OLED 液晶显示屏看到患者输液信息，同时可以通过按键或手机端对输液滴速和药剂温度控制。

测试结果如下：患者正常输液时，OLED 屏幕显示如图6(a)所示，需要拔针或更换输液瓶时，OLED 屏幕显示如图6(b)所示，同时蜂鸣器报警并发光，用户可以通过按键或手机端设置输液滴速和药剂温度，如图6(c～f)所示，用户也在手机端也可以看到患者的输液信息，如图7 所示。

图6 硬件测试结果

5 总结

针对输液监测，本研究设计了一款相对传统人工监测方法更精准、更高效、便利且低成本的系统，针对各模块功能需求对硬件和软件进行设计与研究，经测试，本系统可以不间断监测针对患者输液信息，通过蓝牙无线传输通知用户拔针或更换药剂瓶，同时可以让患者在输液过程中更舒服，减少家属心理压力。本系统适用人群广，方便医护人员工作。

智能输液监测系统已成为当代医疗不可或缺的一部分，基于本系统所采用的方法，还可以添加数据库管理系统存储患者的电子病历，方便日后查看输液记录；通过配备外接电池使得本系统可以在户外使用等使得本系统更加智能化、人性化。静脉输液作为最常见的医疗方法，如何保障输液顺利进行颇为重要，智能输液监测系统会随着计算机的发展不断完善，因此该系统的设计应用有望更广泛地应用于医院。