醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).pdf

摘要中文摘要隨著醫(yī)院管理系統(tǒng)趨向于電子化、網(wǎng)絡(luò)化，如何利用計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代控制技術(shù)提高醫(yī)療器械的自動(dòng)化成為目前主要應(yīng)用方向之-11。目前普通醫(yī)院臨床輸液過程中人工監(jiān)護(hù)居多。這些醫(yī)院都安裝了簡易有線報(bào)警裝置，但仍需輸液病人自己觀察輸液至結(jié)束時(shí)手動(dòng)報(bào)警以呼叫醫(yī)護(hù)人員，后臺(tái)護(hù)士通過觀察報(bào)警顯示裝置而后采取行動(dòng)。這對(duì)病危人員極為不利，極易造成忽略而出現(xiàn)危險(xiǎn)。其次，護(hù)士靠肉眼觀察和經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)滴速【2J。顯然這種方法難以精確計(jì)量控制，同時(shí)在護(hù)理人員為病人輸液時(shí)調(diào)節(jié)起來浪費(fèi)時(shí)間，而且輸液速度過快或過慢，對(duì)療效產(chǎn)生極大影響【3】。再者，輸液器對(duì)輸液完畢和輸液過程中偶然出現(xiàn)的故障，如氣泡、阻塞等都不能自動(dòng)報(bào)警，也不能及時(shí)切斷輸液通路，以致產(chǎn)生不良后果。目前市場上的輸液泵能夠較好地解決這一問題，但購進(jìn)輸液需投資幾十萬元，甚至上百萬元，醫(yī)院難以承受。本文針對(duì)上述情況，旨在研究和設(shè)計(jì)一種由應(yīng)變式電阻傳感器和光電傳感器組成的前端輸液測量系統(tǒng)，以單片機(jī)為前端測量系統(tǒng)的控制核心，前端測量系統(tǒng)和后臺(tái)護(hù)士站監(jiān)控機(jī)之間通過RS485總線進(jìn)行通信。該系統(tǒng)能對(duì)對(duì)每個(gè)病人輸液情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具備處理由各種意外事件引發(fā)的誤報(bào)警能力，可以在輸液結(jié)束時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)呼叫護(hù)理人員。采用RS485總線組網(wǎng)，并利用中繼器拓展網(wǎng)絡(luò)，即一個(gè)主機(jī)站控制多個(gè)從機(jī)站，主、從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。本系統(tǒng)針對(duì)目前醫(yī)院輸液過程中存在的弊端，提出了解決方案，推進(jìn)了醫(yī)院智能化和信息化建設(shè)。關(guān)鍵詞：電阻應(yīng)變式傳感器，光電傳感器，靜脈注射，單片機(jī)控制，越限報(bào)警、b：S，。，。、，r、_、o，t、：心謄，I，_產(chǎn)t，一k 福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文 -大n入J聲According to the investigation and research,in middle and small hospital usuallyadopts artificial treatmentThe simple wire alarm device applied in these hospital，but thepatients still call nursing staff to change bottle or withdraw needle by themselves wheninfusion finishedThe nurso on duty take action by observation the display equipment,itis inconvenience to seriously ill people and easy to cause mescal malpracticeFuthermore，the nurse regulate and control the velocity of drops by hand throughobservation and experienceObviously,the metho&above has inadequate accuracy andwaste of times，the velocity of drops too slow or high directly affect the curative effectInaddition,these transfusion apparatus hard to give a alarm when something accidentcaused by air bubble、fault and b10ckingOf coRrse，infusion pump could slove theseproblemBut the price is SO hi曲that the hospital with good benefit callt afford itAccording to this situation，straingauge typc transducer and photoelectric detector asthe舶nt part of measure system,adopts P89C58X2 MCU as microprocessor of slavestation,the monitor computer and microprocessor communication with RS485busMonitor the infusion process of patient,deal崦、)l，i也false alarms by accident，givealarm sounds at the end of transfusionIn addition,the communication networkcomposed of RS485 bus and repeaterone maser station control multi-slave station,transfer data between master and slaveThe medical monitoring system resolve present defects of conventional infusionsystem，had a good result in clinical applicationPromote the informationization and intellectualization construction in hospitalKey words：Straingauge type transducer,Photoelectric detector,Drops speed controlUpper limit alarm，Control the velocity of drops by single chip microprocessIII福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，瓢。1IV卜，中文文摘中文文摘隨著科技發(fā)展和普及，醫(yī)院輸液系統(tǒng)等醫(yī)療器械日益趨于網(wǎng)絡(luò)化、便攜化、人性化。高效、實(shí)時(shí)、便捷、安全和人性化的服務(wù)可以更有效的提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，方便患者就診和緩解治療壓力，推動(dòng)醫(yī)院信息化建設(shè)。據(jù)調(diào)查和研究，醫(yī)院每天接納大量輸液患者。隨著輸液喊著越來越多，醫(yī)院要不斷擴(kuò)展護(hù)理區(qū)，醫(yī)護(hù)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度越來越大，護(hù)理過程中的事故發(fā)生率大為上升，這些都成了醫(yī)療隱患。雖然可通過提高醫(yī)護(hù)人員素質(zhì)和業(yè)務(wù)水平等降低事故發(fā)生率，但能否通過改善硬件設(shè)施降低事故發(fā)生率和提高醫(yī)護(hù)人員工作效率，值得思考。目前，普通中小醫(yī)院輸液都采用了一些簡易報(bào)警裝置，但在輸液過程中仍是人工護(hù)理居多，存在智能化程度偏低，輸液事故發(fā)生率高，醫(yī)護(hù)工作效率低，患者心理壓力大等弊端。這就對(duì)醫(yī)院輸液的智能化和人性化程度提出了更高要求。本課題根據(jù)醫(yī)院的現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃，總體設(shè)計(jì)以高新技術(shù)為主，本著“力求保證系統(tǒng)先進(jìn)、實(shí)用、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、易擴(kuò)展、易維護(hù)和高性價(jià)比刀的原則，分析比較點(diǎn)滴輸液監(jiān)測系統(tǒng)的可行性方案，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)部分硬件并編寫系統(tǒng)軟件，力求完成一個(gè)由微計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、智能控制技術(shù)結(jié)合而成的功能強(qiáng)大的監(jiān)測系統(tǒng)。論文主要研究內(nèi)容包括：(1)前端從站的硬件設(shè)計(jì)、軟件結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。(2)后臺(tái)護(hù)士站管理的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。(3)主從數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 緒論闡述了研究輸液系統(tǒng)的背景以及重要意義。通過對(duì)國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的了解，進(jìn)行資料收集、整理和分析，提出了一種由應(yīng)變式電阻傳感器和光電傳感器組成的前端輸液測量系統(tǒng)，以單片機(jī)為前端測量系統(tǒng)的控制核心，前端測量系統(tǒng)和后臺(tái)護(hù)士站監(jiān)控機(jī)之間通過RS485總線進(jìn)行通信。對(duì)每個(gè)病人輸液進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)具有輸液滴數(shù)定時(shí)計(jì)數(shù)、稱重、液位越限報(bào)警、顯示等功能。軟件部分采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化模塊、主控模塊、監(jiān)測報(bào)警模塊、輸液速度學(xué)習(xí)設(shè)定模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、算法模塊等。軟件設(shè)計(jì)使該系統(tǒng)具備了補(bǔ)償修復(fù)能力、判斷決策能力、自學(xué)習(xí)和記憶能力、處理由外界V專廠福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文各種意外事件引發(fā)的誤報(bào)警等能力，可以在輸液結(jié)束時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)呼叫護(hù)理人員。此外，為后臺(tái)護(hù)士站開發(fā)了監(jiān)控管理軟件，可對(duì)輸液過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)輸液資料進(jìn)行管理保存，同時(shí)在此基礎(chǔ)上還可考慮增加患者基本信息和病歷管理，藥品資料管理等功能。最后，采用RS485總線，中繼器拓展網(wǎng)絡(luò)，即一個(gè)主機(jī)站控制多個(gè)從機(jī)站，主、從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)通信。第一章對(duì)輸液監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。闡述了輸液監(jiān)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)需求，并以此為基礎(chǔ)闡述了輸液監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。描述了系統(tǒng)各部分組成以及它們之間的聯(lián)系，并對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信模式進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。需求表描述了開發(fā)的目的、系統(tǒng)輸入輸出端、設(shè)計(jì)需求等，并對(duì)成本和功耗提出了要求。第二章介紹了硬件選型和單元電路設(shè)計(jì)。首先介紹了硬件設(shè)計(jì)原則，必須在安全可靠的前提下，保證其經(jīng)濟(jì)合理及易用性。然后介紹了輸液從站總體硬件構(gòu)成。接著，分別介紹了各單元電路，包括單片機(jī)的選用和電路設(shè)計(jì)、重量傳感器的原理及其補(bǔ)償措施的研究、光電傳感器的原理及液滴信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路、系統(tǒng)供電電路、晶振電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、主從站通信接口等。最后總結(jié)了PCB設(shè)計(jì)過程中的一般原則和處理方法，硬件抗干擾措施等。 第三章簡要通信工程中通信協(xié)議的使用和研究。以圖文并貌的手法描述了通訊流程、數(shù)據(jù)幀格式、糾錯(cuò)方法及校驗(yàn)方式，進(jìn)一步為主從機(jī)成功通訊和通訊程序的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 第四章介紹嵌入式軟件設(shè)計(jì)過程。軟件部分采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化模塊、主控模塊、監(jiān)測報(bào)警模塊、學(xué)習(xí)記憶設(shè)定輸液速度模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊等。首先介紹了嵌入式軟件設(shè)計(jì)原則，然后對(duì)各個(gè)程序模塊進(jìn)行了介紹，如各硬件模塊功能初始化過程和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)和軟件抗干擾設(shè)計(jì)等，并在軟件程序設(shè)計(jì)中融合了稱重算法和稱重傳感器校正算法，使整個(gè)系統(tǒng)更加智能化，節(jié)約了開發(fā)資源和成本。第五章簡要介紹了醫(yī)護(hù)人員工作站輸液管理軟件的開發(fā)。在軟件設(shè)計(jì)過程中采用VC+面向?qū)ο蟮目梢暬?jì)算機(jī)編程語言，保留了信息管理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和更加人性化的設(shè)計(jì)空間。最后，總結(jié)了已完成的工作和取得的成果，提出了完善和改進(jìn)措施，并對(duì)未來工作做了展望。VI1氣毛產(chǎn)，Vn福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文IIjI一、哦產(chǎn)目錄目錄第二節(jié)論文主要研究內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題第一章系統(tǒng)總體需求和方案設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)需求分析和設(shè)計(jì)原則第二節(jié)系統(tǒng)方案論證與比較第三節(jié)系統(tǒng)總體框圖第四節(jié)本章小結(jié)。IIII。lO-第二章系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié)硬件設(shè)計(jì)原則-14-15-17第二節(jié)下位機(jī)總體結(jié)構(gòu)和主控單元17第三節(jié)硬件選型和單元電路設(shè)計(jì)。21第四節(jié)印刷電路板的干擾因素及設(shè)計(jì)原則。-28-第五節(jié)本章小結(jié)。第三章系統(tǒng)通信協(xié)議的研究和使用第一節(jié)通信流程。-29-第二節(jié)應(yīng)答格式及通訊參數(shù)。第三節(jié)本章小結(jié)。第四章下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)主程序。第二節(jié)稱重算法和傳感器校正算法。一3l-31-一33-：；7-一37-第三節(jié)本章小結(jié)。4l-第五章上位機(jī)管理軟件開發(fā)。IXVX|卜hhEl1699_-X恥l+、J，o懶f：量緒論緒論第一節(jié)課題研究背景及意義1課題研究背景目前，大多數(shù)普通醫(yī)院的輸液護(hù)理自動(dòng)化和智能化程度不高【4】【5】【6】。護(hù)理人員在插針后通過觀察和詢問病人，通過調(diào)節(jié)輸液夾的松緊程度來調(diào)節(jié)滴速，通常在對(duì)滴速要求比較嚴(yán)苛的情況下，由于條件所限，只能通過讀秒表計(jì)數(shù)來估算滴速川。這種方式對(duì)臨床護(hù)理經(jīng)驗(yàn)豐富的護(hù)理人員尚且感到不便，更何況一般護(hù)理人員和病人。上述方式帶有人為主觀因素，難以完全尊重客體，嚴(yán)格遵循科學(xué)輸液的要求和規(guī)律。加之醫(yī)院每天輸液病人數(shù)以百計(jì)，護(hù)理人員極易產(chǎn)生厭倦和煩躁心理，致使輸液事故時(shí)有發(fā)生。上述方式一旦發(fā)生事故，造成的后果，對(duì)一般患者尚可預(yù)料和承受，但對(duì)搶救，化療等對(duì)滴速要求極其嚴(yán)格的輸液過程，事故發(fā)生造成的結(jié)果具有不可預(yù)測性，甚至釀成悲劇。不同癥狀的患者對(duì)滴速要求不同，如孕婦、老人、兒童及體質(zhì)較弱的患者滴速過快會(huì)引發(fā)血管痙攣、心力衰竭；不同藥物對(duì)滴速的要求不同，如葡萄糖和抗生素，又如麻醉藥這類特殊藥物，輸液速度和用藥量尤其需要精確控制，否則會(huì)導(dǎo)致水腫和中毒【8l。其次，護(hù)理人員必須親自臨床操作，隨著輸液人數(shù)增多，造成工作量巨大且效率低下，不但增加了醫(yī)護(hù)人員感染幾率，而且病人之間易交叉感染，如肺結(jié)核病區(qū)。最后，上述方式不能對(duì)病人的信息(如輸液信息、藥物信息、藥物需求和既往病史等信息)進(jìn)行直觀而全面的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析以便于醫(yī)生診斷和護(hù)理，沒有一個(gè)統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)庫和功能強(qiáng)大的人機(jī)交互界面。目前，國際市場上的輸液泵可以解決這些問題，但輸液泵價(jià)格昂貴，無疑增加了醫(yī)院的醫(yī)療成本和病人的費(fèi)用負(fù)擔(dān)。鑒于上述原因，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種智能醫(yī)用輸液監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中采用精度極高的稱重傳感器和紅外光電傳感器，能夠精確檢測藥液藥瓶重量、點(diǎn)滴速度等，能以按鍵輸入的方式準(zhǔn)確輸入藥液重量和點(diǎn)滴速度預(yù)警值，對(duì)輸液過程中的意外情況進(jìn)行監(jiān)測報(bào)警，并在輸液前預(yù)警，有效遏制了輸液事故的發(fā)生。該系統(tǒng)的前端從站福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文能和后臺(tái)護(hù)士站總站甚至醫(yī)院總站直接通訊；構(gòu)成一體化網(wǎng)絡(luò)，主站上位機(jī)具有功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)和優(yōu)良的人機(jī)交互界面。該系統(tǒng)的應(yīng)用有助于提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率、降低工作強(qiáng)度、減輕患者治療壓力，使輸液治療在確保安全性和可靠性的前提下，更加人性化和智能化。總之，此舉實(shí)現(xiàn)了醫(yī)患雙贏，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院一體化管理。且具有更深層次的意義，即推進(jìn)了醫(yī)療事業(yè)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化建設(shè)。2課題研究意義(1)經(jīng)濟(jì)意義該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)在確?？煽啃院头€(wěn)定性的前提下對(duì)成本進(jìn)行了估算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保性價(jià)比。同時(shí)，設(shè)計(jì)子模塊具有標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展、便于移植等優(yōu)點(diǎn)。(2)科技意義該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了學(xué)科交叉，如生命學(xué)科和信息學(xué)科交叉。融合了多項(xiàng)先進(jìn)而成熟技術(shù)，如計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等。具有科研價(jià)值。(3)實(shí)用意義該設(shè)計(jì)從現(xiàn)實(shí)生活出發(fā)，以患者為中心，把患者和醫(yī)護(hù)人員的需求擺在第一位，充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念。在施工過程中，充分考察醫(yī)院環(huán)境和樓宇結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)移動(dòng)靈活，操作方便，經(jīng)久耐用。就設(shè)計(jì)者自身而言，可以通過該題目對(duì)電路理論、傳感器理論、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論、智能控制理論等進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，提高理論創(chuàng)新能力。并將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，整個(gè)設(shè)計(jì)過程有助作者提高動(dòng)手能力、分析解決問題能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。同時(shí)通過開發(fā)該系統(tǒng)使作者在研究生階段科研水平邁向一個(gè)新的臺(tái)階。3國外點(diǎn)滴輸液系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展，醫(yī)療器械成為了多學(xué)科和多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其發(fā)展水平無疑體現(xiàn)了一個(gè)國家的科技水平甚至綜合國力聊。就目前國際市場而言，大型高端醫(yī)療設(shè)備及其核心技術(shù)均被美、日、歐等少數(shù)發(fā)達(dá)國家壟斷。國外對(duì)點(diǎn)滴輸液系統(tǒng)的研制較早，如日本、美國和德國等國家上世紀(jì)80年代末、Ni。廣緒論就進(jìn)行了這方面的研制，現(xiàn)在市場上流行的大多是國外產(chǎn)品，類型多樣，性能較好。日本的TOP-7100型輸液泵具備以下優(yōu)點(diǎn)和功能：(1)是日本TOP株式會(huì)社完全專利技術(shù)，全球首創(chuàng)專用帶固定夾輸液器(EH IV set)的輸液泵，確保輸液過程極高的精確度及高度的安全性。(2)獨(dú)特的無泵門設(shè)計(jì)，帶語音提示的人性化操作功能。(3)可對(duì)輸液速率范圍，導(dǎo)管內(nèi)空氣探測，閉塞探測壓力進(jìn)行多選項(xiàng)設(shè)置。(4)可記錄輸液開始停止和警報(bào)類型。同時(shí)也記錄日期、時(shí)間、輸液速率、容量限制和與此同時(shí)的整個(gè)容量。(5)電源自動(dòng)關(guān)閉：如果當(dāng)內(nèi)部電池供電時(shí)系統(tǒng)在中止?fàn)顟B(tài)或警報(bào)狀態(tài)中大約3分鐘，蜂鳴器鳴響；如果在該狀態(tài)下又3分鐘，系統(tǒng)電源自動(dòng)關(guān)閉。(6)提示：如果在消聲之后2分鐘過后沒有重置警報(bào)，警報(bào)會(huì)再次鳴響。(7)蜂鳴器設(shè)置：等待聲音和運(yùn)行聲音出現(xiàn)，不出現(xiàn)可以規(guī)定。(8)電源轉(zhuǎn)換：當(dāng)電能不在從ACDC電源中供應(yīng)時(shí)，該系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)部電池運(yùn)行模式。(9)聲音指導(dǎo)：當(dāng)警報(bào)發(fā)生時(shí)，提供聲音指導(dǎo)描述等。(10)剩余輸液時(shí)間顯示：當(dāng)帶有容量限制設(shè)置的輸液進(jìn)行時(shí)，剩余輸液時(shí)間作為推測顯示。德國諾爾(KNAI腿公司)的K-120高壓輸液泵是世界上最小的HPLC泵?？筛鼡Q惰性泵頭，適用于微柱型高效液相色譜，分析型高效液相色譜和半制各型高效液相色譜。德國貝朗(BARI肘)集團(tuán)的輸液泵具有控制精度高，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但其光電傳感器部件常易出現(xiàn)問題，送修需更換整體傳感部件，維修時(shí)間長、成本高，造成醫(yī)院開支巨大【lo】。 一美國IMED公司Gemini PC-2TX型輸液器可實(shí)現(xiàn)四路控制。此外，加拿大等國家也有相應(yīng)的產(chǎn)品，型號(hào)頗多，性能良好，此不贅述。趣i：盛虱國日本產(chǎn)TOP7100型 日本JMS微量輸液泵美國邁瑞輸液泵德國凝膠色譜輸液泵圖O1 國外輸液泵產(chǎn)品Figure 01 Infusion pump products in abroad歸納起來國外產(chǎn)品具有以下功能及特點(diǎn)： (1) 能夠精確控制給藥的流速和容量精度(如釷5)，可調(diào)節(jié)給藥流速范圍。(2)液流線性度好，不產(chǎn)生脈動(dòng)。福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文(3)具有多種給藥模式。(4)具有程控功能，可開展更先進(jìn)的治療項(xiàng)目(如聯(lián)合時(shí)辰化療)。(5)具有快捷操作功能達(dá)到快速調(diào)節(jié)流速和爭取搶救時(shí)機(jī)的目的。(6)具有歷史信息儲(chǔ)存功能，能調(diào)節(jié)醫(yī)護(hù)患糾紛。(7) 內(nèi)置加溫功能達(dá)到提高輸液舒適性。(8) 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信。(9)各種報(bào)警功能(如管路氣泡、針頭阻塞、靜脈跑針、管路疲勞、滴空等報(bào)警項(xiàng))達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高臨床安全性、減少護(hù)理人力。總之，輸液泵走在了當(dāng)前醫(yī)療和科技的最前沿，是高、精、尖技術(shù)的產(chǎn)物，勢必以高成本和高投入為代價(jià)，因而這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，在國內(nèi)只有少數(shù)大醫(yī)院引進(jìn)，主要用于危重患者。4國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著我國人民生活水平提高，人們對(duì)生命健康愈發(fā)關(guān)注，醫(yī)療器械作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展。各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科研院所、醫(yī)療科技企業(yè)和個(gè)人競相推出輸液產(chǎn)品和發(fā)明專利。山東某醫(yī)院研制了一種彈簧輸液報(bào)警器，該報(bào)警裝置由一個(gè)可控的音樂集成塊，彈簧及兩塊電池組成【11】。使用該輸液報(bào)警器將輸液容器懸掛于彈簧下，將藥液藥瓶重力轉(zhuǎn)化為彈簧拉伸力，輸液快結(jié)束時(shí)，彈簧回縮報(bào)警電路接通，進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒換藥。該裝置雖有一定新穎之處，但智能化程度不高，難以達(dá)到醫(yī)用監(jiān)控器的智能化要求。2009年北京市物理實(shí)驗(yàn)技能大賽中的輸液瓶液位測量及報(bào)警裝置【121。該裝置由彈簧、齒條、齒輪等機(jī)械部件組成，遵循胡克定律，通過測量輸液瓶和瓶內(nèi)液體的重力來間接測量液位，報(bào)警裝置的指針隨著液位的變化而變動(dòng)，當(dāng)與金屬觸頭相接觸時(shí)報(bào)警電路接通，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。此裝置主要利用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)液位測量，精密測量和智能化程度不高，較難推廣。福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院采用光的衍射方法來對(duì)微量物體進(jìn)行測量的裝置已獲專利， 其原理是激光束通過狹縫被衍射，衍射光到達(dá)光電接收器后，可輸出顯示信號(hào)。物體的重量通過杠桿作用改變衍射狹縫的寬度大小，從而使光電接收器接收到的衍射光的光強(qiáng)發(fā)生變化。通過光電接收器，將光強(qiáng)的變化量轉(zhuǎn)化為Or緒論電信號(hào)輸出。最后通過顯示技術(shù)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字顯示，達(dá)到對(duì)物體質(zhì)量進(jìn)行讀數(shù)的目的。但該裝置如何應(yīng)用于輸液報(bào)警，其夾持機(jī)構(gòu)和測量精度是一大難題，故沒有得到推廣。廣東的黎勇設(shè)計(jì)了一種輸液監(jiān)測裝置，已申請(qǐng)了實(shí)用新型專利，該實(shí)用新型其包括攝像頭、攝像頭的定位裝置、PC機(jī)、計(jì)數(shù)模塊和顯示器，其中，攝像頭與PC機(jī)相連，用于拍攝輸液液滴圖像，并將所拍攝的圖像傳輸?shù)斤@示器的顯示屏；計(jì)數(shù)模塊安裝在PC機(jī)的主機(jī)內(nèi)，用于對(duì)攝像頭獲取的圖像信息進(jìn)行采集、分析，并且對(duì)液滴滴數(shù)進(jìn)行計(jì)算處理，將計(jì)算結(jié)果以數(shù)值的形式顯示在顯示器的顯示屏上。本實(shí)用新型中的攝像頭、PC機(jī)、PC機(jī)的主機(jī)、計(jì)數(shù)模塊和顯示器均采用現(xiàn)有技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)，輸液狀態(tài)可以通過圖像或數(shù)值直觀地反應(yīng)出來，并且可以對(duì)病人的輸液狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，其整體結(jié)構(gòu)簡單，監(jiān)測效果好。但這種裝置需要在醫(yī)院安放大量攝像頭，而且也對(duì)圖像處理技術(shù)提出了很高要求，所以很難推廣。山西明佳電子技術(shù)有限公司開發(fā)的醫(yī)用便攜式輸液監(jiān)測器已獲國家專利，采用無線射頻通訊技術(shù)，由射頻網(wǎng)絡(luò)中繼器，射頻網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)組成通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)幾乎不需要安裝，輸液監(jiān)控器為便攜式，護(hù)理人員可直接將卡裝在輸液管上。監(jiān)控器內(nèi)置安全無污染的聚合物鋰電池供電，無線射頻通訊(MJY-01A型)，對(duì)外無任何引線，可以方便到病人和已往一樣攜帶輸液瓶去洗手間。射頻網(wǎng)路中繼器和射頻網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)可用一個(gè)膨脹螺栓掛裝在走廊的墻上或直接放入走廊吊頂里，就近接入交流220V電源。LED顯示屏只需要兩個(gè)膨脹螺栓來固定在墻上，就近接入交流220V電源。通訊網(wǎng)絡(luò)采用無線射頻技術(shù)，無需布線，整個(gè)系統(tǒng)在安裝過程中不影響醫(yī)院的正常運(yùn)營。總而言之，其特點(diǎn)是體積小、功耗低、安裝方便。但射頻信號(hào)易受干擾，對(duì)接受設(shè)備的抗干擾容限要求較高。目前，國內(nèi)市場上也有一些輸液泵產(chǎn)品。如長沙健源醫(yī)療科技有限公司JSB1200輸液泵。北京科力建元醫(yī)療科技有限公司的智能輸液泵系列產(chǎn)品(如圖示)。采用多路傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，用微機(jī)進(jìn)行全面控制，具有心率檢測，并根據(jù)心率變化自動(dòng)調(diào)整輸液速度等完善的控制和報(bào)警功能，可滿足多種情況的輸液要求和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的吊瓶輸液。該產(chǎn)品使用性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，可替代進(jìn)口，已申請(qǐng)專利，同時(shí)在一些大醫(yī)院進(jìn)行了推廣，但依然存在調(diào)整時(shí)間長、精度不夠、功能不夠齊全、價(jià)格較貴的缺陷。福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文瘩 國ZNBXA全功能輸液泵 ZNBXD智能輸液泵 ZNBXK液晶輸液泵圖O2北京科力建元醫(yī)療科技有限公司ZNB系列產(chǎn)品Figure 02 Products of Beijing KellyMed Co。Ltd此外，除了文中所提到的，我國還有很多科研醫(yī)療機(jī)構(gòu)，企業(yè)開發(fā)了的輸液裝置，不少都申報(bào)了專利，但是由于其穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度等方面還達(dá)不到實(shí)際使用的要求，所以這些專利很少得到應(yīng)用。不過總體來說，種類較少，性能也需改進(jìn)?？傊瑖鴥?nèi)對(duì)輸液裝置的研制起步較晚，我國的點(diǎn)滴輸液自動(dòng)化得到普及，還需要很長的路要走。5發(fā)展趨勢未來輸液系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)化、小型化、便攜化、智能化、控制更精確、更安全可靠的方向發(fā)展【nl。如采用無線通信的裝置現(xiàn)在可隨身攜帶而不影響日常生活，可帶著裝置洗澡或游泳。如惠州翔晶電子有限公司生產(chǎn)的醫(yī)用輸液監(jiān)控器具有學(xué)習(xí)記憶設(shè)定的輸液速度的功能。甚至可以將測量系統(tǒng)植于糖尿病患者皮下【14Itl51，測量血糖水平并報(bào)警，然后自動(dòng)控制輸液器向患者體內(nèi)注射胰島素。第二節(jié)論文主要研究內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題1論文主要研究內(nèi)容根據(jù)醫(yī)院的現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境情況，對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行全面規(guī)劃，總體設(shè)計(jì)以高新技術(shù)為主，本著“力求保證系統(tǒng)先進(jìn)、實(shí)用、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、易擴(kuò)展、易維護(hù)和高性價(jià)比的原則，分析比較點(diǎn)滴輸液監(jiān)測系統(tǒng)的可行性方案，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)部分硬件并編寫系統(tǒng)軟件，力爭完成一個(gè)由微計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊口，、6，緒論技術(shù)、智能控制技術(shù)結(jié)合而成的功能強(qiáng)大的監(jiān)測系統(tǒng)，以推進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)的信息化進(jìn)程。本課題的研究內(nèi)容主要包括：(1)前端從站的硬件設(shè)計(jì)、軟件結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。(2)后臺(tái)護(hù)士站管理的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。(3)主從數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。軟件部分采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化模塊、主控模塊、監(jiān)測報(bào)警模塊、學(xué)習(xí)記憶設(shè)定輸液速度模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊等。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有高度智能化的系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，將上位機(jī)(Pc機(jī))和下位機(jī)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、現(xiàn)場監(jiān)控和醫(yī)療管理等功能。2解決的關(guān)鍵問題1精度問題的解決為保證得到一個(gè)高精度的測試系統(tǒng)，采取了以下措施。首先，傳感器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，傳感器為電阻應(yīng)變式稱重傳感器，具有精度高、性能穩(wěn)定可靠、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可靠的數(shù)據(jù)源就要注意電阻式應(yīng)變傳感器的安裝方式，傳感器的底座安裝面平整、整潔，無任何膠膜、油膜等存在【161。安裝面保持水平，安裝時(shí)使用彈簧墊圈。在給傳感器加載受力時(shí)，避免橫向施力或附加扭矩力m3。為了避免傳感器重新安裝造成其特性曲線發(fā)生變化，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了傳感器自校正算法，以提高它的精度。其次，采用高精度AD轉(zhuǎn)換器CS5532，它是一款低噪音、多通道、可編程測量放大器。它分辨率高達(dá)24位，測量級(jí)數(shù)為毫伏級(jí)，放大倍數(shù)從1至32可調(diào)，數(shù)據(jù)輸出速率可調(diào)，精度高，動(dòng)態(tài)特性寬，是其它類型轉(zhuǎn)換器所無法比擬的n町。它還有一個(gè)靈活而簡便的同步串行接口，使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以串行方式輸出，能與其它總線兼容。CS5532內(nèi)置校正系統(tǒng)，可消除漂移和誤差H釘。該AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)兼容，應(yīng)用廣泛。除此而外硬件電路數(shù)字器件和模擬器件獨(dú)立供電，對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓，并加濾波電路，以免電源噪聲對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。采用低通數(shù)字濾波器濾除傳感器內(nèi)部的散粒噪聲、熱噪聲、外界隨機(jī)干擾引起的高頻干擾噪聲。為防止傳電磁干擾，在傳感器信號(hào)輸出端及電源線上加屏蔽珠進(jìn)行屏蔽。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將數(shù)字部件和模擬部件隔離，數(shù)字地與模擬地隔離。福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文2智能化設(shè)計(jì)輸液過程中有很多外界隨機(jī)事件，如病人的誤動(dòng)作、液體氣泡等均會(huì)影響液滴的重量，導(dǎo)致誤測，甚至引發(fā)誤報(bào)警。故結(jié)合智能控制技術(shù)，根據(jù)具體要求給出數(shù)學(xué)模型，再由數(shù)學(xué)模型給出數(shù)值算法，最后由數(shù)值算法編出程序。使系統(tǒng)能總體尋優(yōu)，具有自學(xué)習(xí)、修復(fù)記憶、補(bǔ)償、判斷、決策能力。3通訊網(wǎng)絡(luò)組建本設(shè)計(jì)選定RS485總線作為主從站的通訊介質(zhì)，單片機(jī)通過MAX232將TTL變?yōu)镽S232電平，通過RS232RS485轉(zhuǎn)換器連接485總線，在主站處再通過RS232RS485轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)送入PC機(jī)的串口，實(shí)現(xiàn)雙向通訊，若需要拓展網(wǎng)絡(luò)或加長通訊距離，可加中繼器。在硬件物理基礎(chǔ)上開發(fā)了通訊協(xié)議，規(guī)定了傳輸數(shù)據(jù)的幀格式，打包解包及糾錯(cuò)方法等，最后通過軟件編程完成通訊數(shù)據(jù)的處理。該通訊網(wǎng)絡(luò)具有全數(shù)字化、雙向、多變量、多點(diǎn)多站的特點(diǎn)，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的事件處理能力。矗6，一r廣第一章系統(tǒng)總體需求和方案設(shè)計(jì)第一章系統(tǒng)總體需求和方案設(shè)計(jì)第一節(jié)系統(tǒng)需求分析和設(shè)計(jì)原則在方案設(shè)計(jì)之前，有必要使用各種手段對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行有效收集，并將收集的大量信息進(jìn)行提煉以得到設(shè)計(jì)所需求的信息，即明確系統(tǒng)要完成什么功能，怎樣完成，對(duì)硬件和軟件要完成的功能進(jìn)行分配，設(shè)計(jì)要達(dá)到什么樣的指標(biāo)等。還要各部分的工作原理及其聯(lián)系。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了輸液過程中由人為因素等造成的一系列問題，如醫(yī)護(hù)人員的誤操作、患者的誤動(dòng)作、氣泡、振動(dòng)等造成的輸液誤差及事故。監(jiān)控主機(jī)和從機(jī)通過有線介質(zhì)遵循通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)自行處理，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)主機(jī)對(duì)對(duì)多臺(tái)從機(jī)進(jìn)行管理的一體化網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)研和討論，輸液系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)適合以下條件，即多臺(tái)下位機(jī)由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，上位機(jī)和下位機(jī)分布在各個(gè)樓層使用，可靠距離可百米以上甚至上千米，輸液監(jiān)控儀對(duì)輸液速度和藥液重量進(jìn)行監(jiān)視，若不在設(shè)定范圍內(nèi)就上下位機(jī)同時(shí)進(jìn)行報(bào)警，系統(tǒng)管理軟件可對(duì)每個(gè)下位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，操作簡便，價(jià)格合理【20】?；谝陨戏治?，編寫了系統(tǒng)需求表。 表1-1系統(tǒng)需求表Tablel-1 Requirement of system名稱 醫(yī)用輸液監(jiān)控系統(tǒng)目的 對(duì)輸液過程進(jìn)行全程監(jiān)控輸入 下位機(jī)小鍵盤，上位機(jī)鍵盤輸出 下位機(jī)位LED顯示，主站為視頻顯示器系統(tǒng)開發(fā)需求(包 應(yīng)變傳感器，光電傳感器，聲光報(bào)警器，CS5532，INAll8，括軟硬件開發(fā)平臺(tái)及電 24C01，MAX232，RS232RS485轉(zhuǎn)換器，RS485雙絞線，LDO，I)C-DC子元器件) 電源，按鍵，撥碼開關(guān)，LED，吊瓶掛鉤，固定掛鉤，莫菲氏管，PC機(jī)，各種EDA工具，visual C+6。0等軟件開發(fā)工具，示波器，萬用表，電烙鐵等功能 1主機(jī)管理軟件對(duì)各輸液儀進(jìn)行監(jiān)控2 232RS485適配器為上下位機(jī)通信提供硬件支持。3下位機(jī)對(duì)輸液信息進(jìn)行采集，并向上位機(jī)發(fā)送相關(guān)信息。成本 盡量低以便于推廣功耗 盡量低以節(jié)約能源福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文盡管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的具體方案和技術(shù)指標(biāo)千變?nèi)f化，但應(yīng)遵守共同的設(shè)計(jì)原則與步驟【2I】。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則歸納起來可分為以下幾點(diǎn)：(1)安全可靠 對(duì)于輸液系統(tǒng)，周圍的各種干擾隨時(shí)威脅著它的正常運(yùn)行。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則影響治療。重則引發(fā)事故，因此，在設(shè)計(jì)過程中因把安全可靠放在首位。(2)操作維護(hù)方便系統(tǒng)操作要求操作簡單、直觀形象、便于掌握，既要有操作先進(jìn)性，又要兼顧原有的操作習(xí)慣。并且易于排、出故障。(3)實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性表現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部和外部事件能及時(shí)的響應(yīng)，并且做出相應(yīng)處理，不丟失信息，不延誤操作。(4)通用性好一是硬件采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)和配置各種通用硬件模塊，以便擴(kuò)充功能。二是軟件模塊和算法采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，無需二次開發(fā)，便于靈活移植。(5)經(jīng)濟(jì)效益高 設(shè)計(jì)體現(xiàn)高性價(jià)比，要有市場競爭意識(shí)。第二節(jié)系統(tǒng)方案論證與比較121控制方案比較方案一： 傳統(tǒng)的PLC(可編程邏輯控制器)控制方案。其優(yōu)點(diǎn)是(1)編程簡單，使用面向控制操作的控制邏輯語言。(2)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。(3)系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)【22】。這不但使之可針對(duì)各類不同控制需要進(jìn)行組合，便于擴(kuò)展：且易于檢查故障和維修更換，從而大大提高了效率。目前較高檔的PLC還配有各類智能化模板，如模擬量FO模板、PID過程控制模板、IO通訊模板、視覺輸入、伺服及編碼等專用模板等等，大大提高了PLC的功能與適應(yīng)性。(4)容易實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。(5)相對(duì)于繼電器邏輯控制而言，PLC性價(jià)比大大提高。(6)目前中、高檔PLC均具有極強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通訊能力。通過簡單的組合可連成工業(yè)局域網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)間通訊，但PLC方式難以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的周期做高頻采樣，難以實(shí)r參產(chǎn)第一章系統(tǒng)總體需求和方案設(shè)計(jì)現(xiàn)系統(tǒng)需求中的鍵盤顯示和動(dòng)態(tài)顯示滴速和遠(yuǎn)程通信功能。方案-： 采用P89C58X2單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，與PLC比較單片機(jī)不但靈活性高、價(jià)格低，還可實(shí)現(xiàn)更多的功能，例如復(fù)雜的算法和控制功能。這種方案方便的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)需求中的鍵盤設(shè)定和動(dòng)態(tài)顯示滴速等功能，并且可以實(shí)現(xiàn)主站和從站的通信。122儲(chǔ)液瓶稱重方案方案一：利用機(jī)械原理，由彈簧、齒輪、齒條等機(jī)械部件組成，通過胡克定律將重力轉(zhuǎn)化為相應(yīng)位移，報(bào)警裝置的指針隨著液位的變化而變動(dòng)。此裝置主要利用機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)液位測量，精密測量和智能化程度不高，較難推廣。方案-：電阻應(yīng)變式稱重傳感器。該傳感具有很高的精度，能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小變化的重量測量，同時(shí)，將測得的信號(hào)經(jīng)放大，量化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送到微處理器，實(shí)現(xiàn)了高精度，智能化測量。從實(shí)用、簡便同時(shí)保證測量準(zhǔn)確度等方面考慮，使用電阻應(yīng)變式稱重傳感器是較為理想的選擇。123速度檢測方案對(duì)液體點(diǎn)滴速度的控制，可以分為以下兩種方案：方案一：采用輸液軟管夾頭的松緊程度來控制滴速23J，控制滴速夾移動(dòng)的距離很小，但是滴速夾的松緊調(diào)節(jié)過程中，存在很多因素，例如橡膠粘度，彈簧的彈力等等，都為非線性控制量，移動(dòng)距離等參數(shù)難以計(jì)算，造成滴速難以精確測量和控制。方案二：使用紅外發(fā)光二極管和光敏三極管實(shí)現(xiàn)光源檢測【24】【25】。紅外發(fā)光二極管垂直于漏斗壁發(fā)送紅外光，紅外接收三極管依據(jù)接收到的紅外光信號(hào)的強(qiáng)弱產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過定時(shí)采樣計(jì)算出液體點(diǎn)滴速度。光電檢測器器件具有電隔離的功能，響應(yīng)速度快(一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí))，使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小重量輕、耗電小、成本低、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。綜合比較上面兩種方案，利用光電傳感器器檢測點(diǎn)滴速度。福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文124主從機(jī)通信方案方案一：采用無線方式常用的無線方式有紅外、藍(lán)牙、Zigbee、射頻等。紅外的優(yōu)點(diǎn)在于可以在具備紅外接口的設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，安全性較強(qiáng)。但是紅外方式的傳輸距離非常有限，通訊過程中不能移動(dòng)，且易受障礙物干擾和其他醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生干擾而造成通訊中斷，其主要目的是取代線纜連接進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，功能單一，擴(kuò)展性差，故不能應(yīng)用在本系統(tǒng)中。藍(lán)牙是由愛立信，諾基亞等共同提出的一種低成本大容量的短距離無線通信規(guī)范閑。藍(lán)牙規(guī)范采用微波頻段工作在24GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段調(diào)頻，通訊介質(zhì)是電磁波。采用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(hopchannel)，傳輸速率每秒1M字節(jié)，它能夠在lO米的半徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)和聲音傳輸，通過增加發(fā)射功率可達(dá)到100米。一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與多臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接鯽，這些都是紅外所無法比擬的。藍(lán)牙的缺點(diǎn)在于通訊速率不高，在當(dāng)今信息時(shí)代，可能也會(huì)對(duì)它的發(fā)展有所影響。 目前主流的軟件和硬件平臺(tái)均不提供對(duì)藍(lán)牙的支持，這使得藍(lán)牙的應(yīng)用成本升高，普及難度增大。同時(shí)由于頻段限制可能會(huì)受到諸如微波爐、無繩電話、科研儀器、工業(yè)或醫(yī)療設(shè)備的干擾。ZigBee作為一種新興技術(shù)，自04年發(fā)布第一個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)以來，正處在高速發(fā)展和推廣當(dāng)中。ZIgbee的標(biāo)準(zhǔn)傳輸距離為75米，并可擴(kuò)展到幾百米甚至幾公里，但此技術(shù)是一個(gè)由若干個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，而且現(xiàn)在Zigbee DSSS 24G，(小于250kps)35公里無線數(shù)據(jù)采集終端模塊的價(jià)格在每片s上千元【28】，目前由于成本、可靠性方面的原因，還沒有大規(guī)模推廣。射頻(RF)是Radio Frequency的縮寫，表示可以輻射到空間的高頻交變電磁頻率，頻率范圍在300KHz30GHz之間。電磁波可以在空氣中傳播，并經(jīng)大氣層外緣的電離層反射，形成遠(yuǎn)距離傳輸能力，故稱其為射頻291。常用的射頻模塊有RF905、nRF401a301等，RF905價(jià)格雖然能夠接受，但這種模塊并不適合樓宇中，因?yàn)闃怯顚?duì)電磁波衰減作用非常嚴(yán)重，只適合室外開闊地帶使用。同時(shí)射頻輻射功率對(duì)人身健康不利，因此不宜使用?；谝陨显蚍駴Q了無線傳輸模式，因此只能選擇有線模式。方案-采用有線方式弋參f第一章系統(tǒng)總體需求和方案設(shè)計(jì)所有有線方式可分為串行通信和并行通信，并行通信一般在實(shí)際中用的較少，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率高，但是占用單片機(jī)IO口較多，需要的傳輸線也很多，不適合遠(yuǎn)距離通信，故采用串行通信。串行可分為異步傳輸和同步傳輸【311，同步傳輸要求由接受與發(fā)送之間的嚴(yán)格同步，傳輸速度要求較高，傳輸信息量大導(dǎo)致其硬件設(shè)備復(fù)雜，成本高。故而棄用，所以采用異步串行通信方式。RS232C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)【321。RS是英文“Recommend Standard”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS232C設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，傳輸距離短的另一原因是RS-232信號(hào)傳送存在共地噪聲和共模干擾等問題，因此適用于20m以內(nèi)的通信。隨著下位機(jī)數(shù)量增多，通信距離加長，RS232的缺點(diǎn)就顯而易見了，不能滿足要求。而RS-485具有以下特點(diǎn)：(1)邏輯0和1分別以兩線間的電壓差小，與TTL電平兼容。在電路中允許有多個(gè)發(fā)送器，一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，大大增強(qiáng)了抗干擾性能【331。(2)RS-485最大的通信距離約1200米，若采用的9600bitS，傳送距離可達(dá)15000米，最大傳輸速率為1 0MbS且與傳輸距離成反比，一般支持幾十個(gè)甚至上百個(gè)節(jié)點(diǎn)。(3)要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸可以以光纖為傳輸介質(zhì)，收發(fā)兩端加光電轉(zhuǎn)換器。12C串行總線方式只要兩條線即可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信，但一般單片機(jī)都沒有其接口，用軟件模擬將非常復(fù)雜，增加了開發(fā)周期。12C數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)每秒十萬位，高速方式是每秒四十萬位以上，如今主要在服務(wù)器管理中使用，其中包括單個(gè)組件狀態(tài)的通信。但是其總線長度一般不高于25英尺，折合標(biāo)準(zhǔn)單位長度僅為762m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足本課題的要求，故而棄用。CAN全稱為“Controller Area Network”即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用比較廣泛且是唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線134l。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線在以5kbits進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其傳輸距離在理論上可福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文達(dá)10kin，而在實(shí)際應(yīng)用中也可達(dá)45km，能夠滿足現(xiàn)實(shí)生活中醫(yī)院的需求。CAN還有總線利用率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸率高、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試容易、后期維護(hù)成本低等寶貴特點(diǎn)。但CAN總線價(jià)格昂貴，用于本系統(tǒng)勢必會(huì)增加成本，故而棄用。Lonworks是由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導(dǎo)的一種新型現(xiàn)場總線技術(shù)，具有智能化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)【35I361。它提供了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISOOSI模型的全部7層通訊服務(wù)功能，支持光纖和紅外線等多種通信介質(zhì)，且可以混合使用多種介質(zhì)。通訊速率從300bits至15Ms不等，直接通信距離可達(dá)2700m(78Kbits)，在光纖介質(zhì)中通信距離為3500m，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)可多為32000個(gè)，故有通用控制網(wǎng)絡(luò)的美譽(yù)。由于采用了一系列先進(jìn)的控制技術(shù)，Lonworks具有控制網(wǎng)絡(luò)功能很強(qiáng)，可靠性極高，軟件開發(fā)上手容易等優(yōu)點(diǎn)。但是，與其它現(xiàn)場總線一樣，LonWorks也有自身的缺點(diǎn)。首先，LonWorks的實(shí)時(shí)性、處理大量數(shù)據(jù)的能力有些欠缺；其次，由于LonWorks依賴于EcheIon公司的Neuron芯片，它的完全開放性值得商榷；再次，Lonworks在醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)中大多需要重新布線，且成本較高，大材小用?；谝陨显?，結(jié)合本系統(tǒng)單片機(jī)的特點(diǎn)，最終決定上位機(jī)與下位機(jī)之間基于RS485總線的有線異步通信方式，最終確定系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)圖如下所示。K潮Is組兩H弓一-(緲文系統(tǒng)) 、圖11系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFigurel-1 Network topology ofsystem第三節(jié)系統(tǒng)總體框圖通過以上方案論證比較，確定系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如下：、8888奪f _弓_囤)-l臌筷疑l_擘篙馨穹 。一。_-_-_I_-_-_I，圖l-2系統(tǒng)總體組成框圖Figure l-2 The block diagram of the system第四節(jié)本章小結(jié)本章對(duì)系統(tǒng)各部分的方案及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討，對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)，通過各方面權(quán)衡最終確定了使用方案。各部分的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程將在以下幾章中重點(diǎn)介紹。甲福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文-l_-_ll-_-_l_l_-_l一ll-161者之間協(xié)同在滿足系統(tǒng)：采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化電路。(2)足夠的抗干擾能力。系統(tǒng)將采用抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)和電子元件，采取去耦濾波，屏蔽等抗干擾設(shè)計(jì)。(3)經(jīng)濟(jì)合理。該系統(tǒng)是面向普通中小醫(yī)療結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸液監(jiān)測系統(tǒng)，價(jià)格至關(guān)重要。在系統(tǒng)安全可靠的前提下，保證系統(tǒng)價(jià)格的經(jīng)濟(jì)性，選擇價(jià)格合理的電子器件，可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期和降低系統(tǒng)開發(fā)成本。 (4)易用性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)面向的是醫(yī)護(hù)非專業(yè)人員，所以軟硬件設(shè)計(jì)盡量化繁為簡，操作界面友好，符合人性化特點(diǎn)。 第二節(jié)下位機(jī)總體結(jié)構(gòu)和主控單元下位機(jī)以P89C58X2作為控制核心，由電阻應(yīng)變式稱重采集器、光電管檢測器、儀表放大器、AD轉(zhuǎn)換芯片、脈沖整形電路、信號(hào)處理電路、芯片MAX232作為串行通信接IZl、LED顯示、鍵盤、報(bào)警電路和電源等一并構(gòu)成智能監(jiān)測系統(tǒng)。下位機(jī)組成框圖如下： 匿圓圍+圜圈工 囤H -圍_園圖21下位機(jī)組成框圖Figure21 Schematic diagram of slave station福建師范大學(xué)碩士學(xué)位論文根據(jù)所使用資源的性價(jià)比，本系統(tǒng)選用P89C58X2作為下位機(jī)系統(tǒng)的CPU。作為輸液檢測儀的核心部件，該單片機(jī)采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)。采用先進(jìn)CMOS工藝制造，帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器。全部支持6時(shí)鐘和12時(shí)鐘操作。P89C58X2包含32條IO口線、256字節(jié)RAM、3個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、6輸入4優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行IO口(可用于多機(jī)通信、IO擴(kuò)展或全雙工UART)以及片時(shí)鐘電路和振蕩器【371。此外，由于它采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)。頻操作頻率范圍寬(可降至0)。可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式一空閑模式和掉電模式?？臻e模式CPU停止工作，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然繼續(xù)工作。掉電模式保存RAM中的數(shù)據(jù)，但是振蕩器禁用，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘停止不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。電氣特性：80C51核心處理單元；256字節(jié)RAM(89C58X2)；布爾處理器；全靜態(tài)操作；12時(shí)鐘操作，可選6個(gè)時(shí)鐘(通過軟件或并行編程器)；64K字節(jié)ROM和64K字節(jié)RAM；電源控制模式；時(shí)鐘可停止和恢復(fù)；空閑模式；掉電模式；幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測；自動(dòng)地址識(shí)別；可編程時(shí)鐘輸出；異步端口復(fù)位；掉電模式可通過外部中斷喚醒；LQFP、PLCC或DIP封裝：寬溫度范圍。 與標(biāo)準(zhǔn)的MCS51單片機(jī)相比增加了以下功能：t-18 _一第二章系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)(1)5V時(shí)有兩個(gè)頻率范圍：即6時(shí)鐘模式時(shí)的0到20MHz和12時(shí)鐘模式時(shí)的0到33MHz；(2)增加了雙數(shù)據(jù)指針DPTR=3個(gè)保密位；增加了4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；6個(gè)中斷源；(3)4個(gè)8位FO口；增加了全雙工增強(qiáng)型UART；(4)在51原有的3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器To，T1上增加了定時(shí)計(jì)數(shù)器12(捕獲和比較)；增an t低EMI(禁止ALE，輸出斜率控制以及6時(shí)鐘模式)；oP mlJrlll凝。r胛功膏毫寸，11，vo-，目=孵oot圖2-2管腳圖Figure2。2 Function o