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基于远程无线监控的自动输液系统设计论文

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  关键词:输液监管,STM32,远程监控,蓝牙模块,机械结构

  0引言

基于远程无线监控的自动输液系统设计论文

  我国人口基数大,每天去医院的病患不计其数,而输液治疗是最为普遍的治疗方式之一,一个市中心医院一天输液人数可高达约300人,患者在输液过程中,很多患者的陪同家属不一定能很好地监护病人用药情况,常疏忽了输液时药瓶里的药量,造成输入空气到血管中的情况,或输液时液滴流速变快、堵塞等,这些情况的存在不仅在很大程度上造成了人们精力的流失,而且还会造成患者感冒、心脏负担加重等疾病[1]。并且在输液过程中,由于人工巡视和记录容易产生误差,导致医疗事故发生的风险难以消除。因此,开发一种可靠、高效的自动输液监管系统已成为当今医疗领域的紧迫任务。

  而市面的同类产品中往往只有单一的检测数据功能,极少具备有代替传统人工换液的功能。单具检测输液数据功能的产品确实提高了患者的输液效率和降低了输液的风险,但却不能减少人工成本,代替传统人工,从而真正减少病患与医护人员的接触。而本设计将检测和自动换液一起结合,真正实现替代人工,让患者可以充分休息,也减轻医护人员的负担。

  本文旨在设计并实现一种基于STM32单片机作为主控制器,实现自动换液,利用传感器技术对药液流量进行精确计算和监测。水滴传感器和水位传感器则分别检测药液的滴数和余量,实现对输液情况的精准监测。同时,语音模块和蓝牙模块也被应用于该系统中,实现实时语音提示和远程控制功能。蜂鸣器模块也作为护士站警铃,实现及时提醒护士。加热模块可以在寒冷天气保温输液液体,缓解病患的痛苦。调速模块可以很好帮助患者提高输液效率。系统能实现自动化的换液和输液,有效地降低人为操作风险和出错率,提高输液治疗的精准性和安全性。同时能够精确检测药液瓶数和流速,并通过语音提示实时提醒医护人员进行干预操作,从而保障患者的安全和治疗效果。最后配备远程监控和数据传输功能,能够实现对患者输液情况的全程管理,方便医护人员及时调整和优化治疗方案,提高医院的服务质量和效率。

  1总体结构设计方案

  本项目所设计的是自动输液系统,主要的功能是水位检测系统通过控制转盘步进电机进行更换输液瓶以及穿刺器的自动插拔,同时进行语音互动。用户可以通过语音进行系统的控制,语音识别用户要求后对输液液体进行恒温加热、调节液滴的流速和紧急呼叫护士。而蓝牙模块系统可以传输滴速等数据到护士站的监控App上。

  自动输液系统基于STM32芯片、水滴模块、水位检测模块、蓝牙模块、语音识别和播报模块、57步进电机等的一款全自动输液安全监管系统。在该系统中,STM32芯片作为系统主控制器,通过用户操作屏幕设置输液瓶数,利用水位传感器和水滴传感器对输液数据进行精确监测并且同步输入到单片机上。而蓝牙模块实现无线传输检测数据到护士站,同时,语音识别模块和蓝牙模块也被应用于该系统中,实现实时语音提示和语音控制功能。整个系统结构框图如图1所示。

  2系统硬件设计
      2.1主控芯片选择

  STM32F103ZET6属于STM32系列芯片,是一款高性能、低功耗、功能强大的32位ARM Cortex-M3内核微控制器。它拥有丰富的外设资源,如USB、SPI、UART、

  定时器等,并支持多种编程语言(如C、C++等)和IDE开发环境(如Keil、IAR等),方便开发人员进行二次开发。而且相对于其他高端芯片来说,该芯片的价格较为低廉,同时其强大的性能和可靠的稳定性也得到了广泛的认可。因此,选择STM32F103ZET6既能满足项目要求,又可以实现成本控制。

  2.2语音识别与播报设计

  本设计选用LU-ASR01语音识别模块作为语音识别,识别加热液体,调整液体滴速,呼叫护士和查看剩余输液瓶数并且会进行播报。语音播报选择了DY-SV5W语音播报模块,当换新瓶点滴会进行语音播报提醒,语音识别和语音播报作为一体使用。

  2.3电机驱动设计

  图4所示电机接口电路。本设计采用57步进电机,当前输液瓶输液完成,单片机发送检测信号,转盘步进电机接收到检测信号,转盘步进电机开始工作使得装在上面的输液瓶进行更换。

  2.4点滴检测设计

  采用图5所示的槽型光电耦合传感器来进行测量,比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,超过15 mA,并且设有固定螺栓孔,方便安装。有输出指示灯,输出高电平灯灭,即有遮挡;输出低电平灯亮,即无遮挡;利用步进电机来控制液体的速度为20~150(滴/min)调节,并且速度显示在用户操作屏幕上。而且通过步进电机来设定滴速有3挡[2]。

  调整液体滴速的速度档位有3挡,步进电机的转口嵌入夹片,夹片为两边长两边短,通过控步进电机调整夹紧度从而控制滴速档位。调速1挡为30%,2挡为60%,3挡为90%。即对应的步进电机的角度分别对应为16°、48°、80°。

  2.5剩余液体检测方案

  通过设定输液总量和点滴计数来实现,现在使用的一次性输液器的点滴系数一般为10滴/mL、15滴/mL、20滴/mL。点滴系数是指静脉输液时每毫升液体的滴数。

  目前输液瓶的容量有100 mL、250 mL、500 mL,根据输液瓶的容量、点滴系数、点滴计数值就可以计算出剩余液量[3]。

  2.6手机实时监测模块方案

  采用H C-08蓝牙串口通信模块,检测液体滴速系统的滴速数据会显示在用户操作屏幕上,单片机再发送给蓝牙,蓝牙再对手机进行通信发送数据,实现实时监测。可以与支持蓝牙的电脑、手机通信。图6所示为系统的检测数据。

  HC-08蓝牙串口通信模块是基于Bluetooth Specification V.40 BLE蓝牙协议数据传输,无线工作频段为2.4 GHzISM,调制方式GPSK,最大发射功率4 dbm,接收灵敏度为-93 dbm。模块采用TI的CC2540F256芯片,配置256 kB字节空间,支持AT指令,用户可根据需要修改设备名,波特率等指令。工作电压为3.3 V。检测液体滴

  速系统的滴速数据会显示在OLED屏幕上,单片机再发送给蓝牙,蓝牙再对手机进行通信发送数据,实现实时监测。可以与支持蓝牙的电脑、手机通信。可用于智能家居控制和医疗仪器等。

  3软件设计

  安全监管自动输液系统通过模块化的设计,控制系统的代码主要通过C语言编写,通过keil5搭配STC烧录软件进行系统的调试与测试。软件思路更具[4]更换输液瓶的整体设计程序流程如图7所示,并且配合电路原理图,进行软件代码编写。

  4实物和测试验证分析

  如图8实物所示,控制系统的代码主要通过C语言编写[5],以人工改装充电式多功能输液提醒器,能够精准卡在输液管且不会阻挡液体流动。系统装置一次性可以放置1~5瓶药水,通过用户操作屏幕,选择确认患者输液瓶数,确认后,系统触动电机工作,进行自动插管操作进行输液,之后测试语音控制加温以及调速和无线传输输液检测数据,每输完一瓶会有简易语音提醒,当最后一瓶输完后,会触发警铃报警,呼叫护士。经过多次实验,输液管的穿刺器插入瓶塞与触点之间的误差角在3°以内,拔出误差角在1.5°以内,自动插拔的准确率能达到90%以上。当室温保持在10℃加热温度平均保持到32℃左右,加热时间大概在15 min左右。

  5结束语

  本设计以STM32芯片为控制核心,搭载水滴传感器、水位传感器检测输液数据,利用57步进电机组成自动换液结构进行智能换液,语音模块和加热模块提高患者输液效率和舒适度,通过显示屏幕和蓝牙模块[6],实现输液数据无线交互[7],实时监控患者的输液情况,保障患者的安全。此产品在以往的输液监测产品[8]寻求突破点,将自动换液智能化功能结合,实现输液检测[9-10]和自动换液为一体的多功能智能化产品,实验效果符合预期需求,系统解决患者输液问题,能减轻医护人员的负担,降低人力成本,具有应用推广价值,为后续同类型自动输液换液系统的设计提供参考和借鉴。

  参考文献:

  [1]孙选辰,王历,俄万林,等.自动输液监控系统设计[J].计算机时代,2022(1):50-52.

  [2]付建鹏.基于STC12C5A60单片机的智能输液监控系统的研究[J].仪器仪表用户,2016,23(5):6-8.

  [3]李意如,姚茂明,韩雅琪,等.基于单片机的输液监测系统设计与实现[J].物联网技术,2021,11(10):24-25,29.

  [4]林二妹.一种自动输液系统的设计[J].吉林化工学院学报,2021,38(9):82-87.

  [5]张昱昊,朱伟康,黄磊,等.基于STC89C52单片机的智能远程输液系统[J].科学技术创新,2021(36):190-193.

  [6]贾博奇,刘晓华,许锋,等.基于低功耗蓝牙技术的智慧输液系统设计和应用[J].中国医疗设备,2022,37(2):121-124.

  [7]黄熙.一种智能输液系统的设计与研制[J].医疗装备,2020,33(19):16-17.

  [8]周正阳,王聪聪,王一钦,等.智慧医疗———智能输液系统[J].物联网技术,2017,7(6):51-53.

  [9]王海,王建卫,周熠,等.基于单片机STC89C51输液监控装置报警系统的设计[J].电子制作,2016(23):20,22.

  [10]刘云,柳浩.基于STM32的心率体温检测系统设计[J].机电工程技术,2021,50(8):135-137.

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