摘要：目前，国内医院在点滴输液方面采用人工干预的方式，需实时观察输液情况。针对此情况，结合嵌入式技术，设计了一种以单片机为核心的点滴输液报警系统。该系统具有输液流速预警、输液时间设定、按键报警、实时显示以及手机APP控制等功能。系统采用软硬件相结合，使用液位传感器进行输液余量预警，利用红外计数传感器模块进行输液速度检测，实时显示输液速度，使用ESP8266无线WIFI模块实现无线通信，在手机APP端可以查看系统的工作状态及报警信息。
关键词：单片机；输液报警；红外检测；ESP8266
静脉注射是一种专门用于临床治疗疾病的手段，通过人体静脉注射药液，具有疗效快、操作方便、对身体损害小等优点。然而，不当的输液方法容易发生医疗事故，例如：滴注过快，易产生不良反应，甚至危及生命；不能及时观察剩余量，导致无药输液；持续性的过量输注，易造成循环系统负荷过重等等。本文以实时远程监控输液为目标，设计一个点滴输液报警系统，让患者可以得到休息，减轻医护人员的压力，提高医护人员的工作效率。
1系统总体方案
点滴输液报警系统的总体框图如图1所示。该系统由单片机、液位传感器、红外计数传感器、DS1302时钟模块、按键电路、无线通信模块、OLED显示屏等几部分组成。其中，单片机为STM32F103C8T6，负责控制系统内的各个模块。液位传感器主要负责液位报警，红外计数传感器负责输液速度检测，DS1302为系统提供稳定时钟，按键电路为系统提供设置输液时间和病人报警的功能，无线通信模块使用ESP8266模块，方便系统与服务器、手机APP进行数据交互，OLED屏显示系统时间和输液信息[1]。主控制器接收液位传感器和红外计数传感器的输出信息，并将综合处理后的信息发送到ESP8266模块，通过内部的机智云固件，上传至服务器，用户在手机APP端查看，实现实时监测。
2系统设计
2.1单片机
主控制器为STM32开发板，芯片为STM32F103C8T6单片机。该单片机由意法半导体(ST)开发，基于ARMCortex-M内核。与51单片机相比，其功能更为强大，性能更高，稳定性更好。STM32系列单片机自带主流外设，且其内核拥有高性能、低成本、低功耗等优点[2]。系统使用MicroUSB接口供电，可以提供5V的直流电输入，保证系统正常工作。5V主要提供给液位检测传感器、红外对射计数传感器和时钟模块工作，STM32F103C8T6、OLED液晶屏和ESP8266-12F的工作电压是3.3V，通过开发板上的AMS1117芯片负责降压。
2.2液位传感器
液位报警是利用液位传感器的工作原理实现。如图2所示，根据有水状态与无水状态时分布电容的变化来判断测试传感器位置是属于有水状态或是无水状态，由此实现检测[3]。使用时，将传感器紧贴输液管，也可以紧贴输液瓶底部，当液体达到传感器探测位置时即有电平信号输出，从而完成液位的检测。只有检测到了有液体存在，才能进行输液速度检测。
2.3红外计数传感器
红外计数，利用红外光的变化来完成输液速度的检测[4]。采用进口槽型光耦传感器，检测灵敏度高；检测时，通过夹持输液器滴斗，在不接触液体的情况下完成滴速检测，保证输液安全。模块使用的比较器是LM393，得到的输出信号干净、波形好、误差小。如图3，检测槽中有物体通过时，会引起红外光耦的变化，每通过一次，就会产生一次高电平，通过OUT开关信号输出。计算输液速度的过程如下：检测4滴液体x（单位为滴），记录这4滴液体通过检测槽时一共花了多少时间t（单位为秒s），根据公式，计算出这4滴液体的速度v（单位为滴/s），将这个速度v转化成百分比。通过手机APP，设置好输液速度上限，如果这个速度v超过设置的输液速度上限，系统就会进行声光报警。
2.4DS1302时钟模块
这里用到的时钟芯片是DS1302，由美国DALLAS公司推出的具有掉电保护的低功耗时钟芯片，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，配合频率为32.768kHz的外部晶振组成时钟模块电路。
2.5按键电路
系统能设置输液时间和病人报警，通过增加按键电路来实现这两个功能。按键电路共有四个按键：KEY1、KEY2、KEY3、KEY4。其中KEY1和KEY2为输液时间加减键，KEY3为输液时间设置键，KEY4为病人报警键。当KEY3按下时，系统进入输液时间设置程序，默认为10分钟。此时，按下KEY1，输液预设时间增加，若按下KEY2，则输液预设时间减少。当需要报警时，按下KEY4，系统的输液状态就会显示为报警，指示灯亮起，再次按下KEY4，报警状态解除，指示灯灭。
2.6无线通信模块
无线通信模块使用的是2.4GWIFI模块ESP8266-12F，该模块内置完整的TCP/IP协议栈，可以通过串口通信进行数据传输，为系统添加联网功能。系统可选择单机模式运行，也可联网模式使用。配置WIFI模块的联网模式：如果之前已经连上过WIFI，拔插短接片就会连上之前的WIFI网络；如果是首次连接WIFI，则通过复位按键和手机APP操作连接。等待十秒左右，系统就能连上机智云的服务器，实现单片机与机智云服务器、手机APP的数据交互。如果没有联网成功，则WIFI模块的指示灯就会进入快速闪烁状态，此时需要重新配置网络。在云端，用户通过手机APP来向服务器发送控制指令，因为服务器端和下位机内的数据点是一一对应的，非常方便。
3软件设计
本系统的软件以Keil作为编辑软件，以STM32F103C8T6为核心，结合传感器检测到的结果将输出信号送至单片机处理，进而实现点滴输液报警。系统软件流程图如图4所示。当液位传感器没有检测到液体，进行声光报警；检测到有液体存在，在手机APP中设置输液速度上限，由红外计数传感器检测输液速度，OLED屏显示检测结果。如果输液速度超过了预设的输液速度上限，进行声光报警；如果没有超过，则持续检测，直至输液结束。当需要设置输液预警时间，则通过按键或手机APP进行设置，时间到后进行声光报警，从而实现系统的整体功能。
4结论
与传统的输液报警器相比，在不改变现有输液方式的基础上，为患者和护士输液提供了方便，大大提高了医院医护人员的工作效率，降低了因点滴输液造成的医疗事故率。由于条件有限，该系统尚未得到医院试点使用，实际使用效果有待探究。
参考文献
[1]王莎莎,贾明玺,刘存,李文,汤建新.便携式智能输液点滴速度监控报警装置的设计[J].湖南工业大学学报,2018,32(04):49-54.
[2]彭刚,秦志强.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社,2011.
[3]龚斌华,肖艺伟,纪瑞凯.电容式水箱实时水位与水量状态检测装置及智能坐便器,CN109680773A[P].2019.
[4]朱元培,李尊,席志阳,付瑞杰,孟悦.智能点滴报警器的设计[J].数字技术与应用,2017(08):178+181.
作者:韦邵云 刘伟 单位:桂林理工大学
