基于STM32的输液监控系统设计与实现.docx

基于 STM32 的输液监控系统设计与实现刘刚;凌强;徐骏;李博伦;李峰;王嵩【摘 要】为实现静脉输液的智能化与网络化,研制了一套以 STM32 为核心的输液监控系统.该系统具有液滴检测、液滴速度显示与掌握、余液显示、无线通信和声光报警等功能.系统承受红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落状况,用步进电机及配套传动装置掌握液滴流速,用 OLED 显示屏显示液滴速度及剩余液量,用 WIFI232 模块实现无线通信.假设发生特别状况,利用蜂鸣器和 LED 灯进展声光报警,相关人员可依据提示准时处理.该系统具有很好的应用前景.【期刊名称】微型机与应用【年(卷),期】2023(035)001【总页数】4 页(P91-94)【关键词】输液监控;STM32;无线通信;步进电机【作 者】刘刚;凌强;徐骏;李博伦;李峰;王嵩【作者单位】中国科学技术大学自动化系,安徽合肥 230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥 230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥 230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥 230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥230027;中国科学技术大学自动化系,安徽合肥 230027【正文语种】中 文【中图分类】TP23静脉输液是临床医学中最常用的关心医疗方法之一。据统计，80%以上的住院患者承受静脉输液治疗1。在患者进展输液治疗的过程中，医护人员会依据药液和患者病情选择适宜的输液速度。目前，大局部医院仍旧依据医护人员的阅历通过人工调整输液管的流速调整器来掌握输液速度，这具有很大的不确定性。同时，患者、陪侍或医护人员需要监视药液余量状况，这增加了护理人员的工作强度和意外状况 发生的可能。本文研制了一套基于 STM32 的输液监控系统来替代人工监护。系统承受红外对管检测莫菲氏滴管内的液滴滴落状况，用步进电机及配套传动装置掌握液滴速度，用OLED 显示液滴速度及剩余液量，用 WIFI232 模块实现与 PC 机的无线通信。通过观看上位机的监控治理软件，医护人员可实时把握多个病人的输液进程。假设发生特别状况，蜂鸣器和 LED 灯会进展声光报警，相关人员可依据提示准时处理。该系统不但提高了患者输液时的舒适程度，提高了静脉输液的治疗效果，还降低了护理人员的劳动强度，减轻了医护人员的工作压力。1.1 系统组成基于 STM32 的输液监控系统的构造组成如图 1 所示。主要包括红外液滴检测模块、按键模块、步进电机及其驱动电路、输液关断传动装置、无线通信模块、显示模块、报警模块等。该系统承受性能优越、功耗低的 32 位微处理器 STM32F103ZET6作为掌握核心。1.2 工作原理系统的工作原理：初始状态时，步进电机掌握传动装置挤压关断输液管，此时液滴无法滴落。医护人员依据药液属性和患者状况设定输液速度，微处理器掌握步进电机顺时针转动，步进电机通过齿轮组带动传动装置的丝杆-螺母机构转动。传动装置渐渐减缓对输液管的挤压，因此，输液管内越来越多的药液通过挤压处。液滴检测模块的红外对管实时监测液滴滴落状况，检测电路将红外对管监测到的液滴滴落状况转换为凹凸电位传送给微处理器处理。微处理器将凹凸电位状况转换为实时速度并设定速度比较，当实时速度等于设定速度时，微处理器掌握步进电机停顿转动， 与步进电机相连的传动装置也停顿运动，流经输液管挤压处的药液流量恒定，输液 速度不再变化。微处理器将输液速度、药液剩余量以及推测输液完毕时间等数据通 过无线通信模块传送给 PC 机，医护人员观看监控软件治理界面的显示状况进展处理。患者通过 OLED 显示模块观看输液速度和推测输液完毕时间等状况。如假设需要，患者可依据自身状况通过按键向上或向下调整输液速度。微处理器通过掌握步进电机顺时针或逆时针转动来增加或降低输液速度。当输液剩余量低于设定值时， 微处理器通过掌握步进电机逆时针转动来关断输液，通过 LED 灯闪耀和蜂鸣模块报警来提示患者，监控治理软件通过高亮显示剩余输液量来提示医护人员进展处理。由系统组成可知，系统包含了较多的硬件单元，本文重点介绍红外液滴检测、输液 关断、无线通信三个核心单元。2.1 红外液滴检测液滴信号的准确采集是计算滴速的前提，信号采集既要确保不会漏检，又要符合卫生需要，不能接触药液。为此，承受红外光电传感技术，将红外对管的放射管和接收管分别安装在莫菲氏滴管的两侧2。红外对管供电正常工作时，放射管放射红外光，红外光穿过莫菲氏滴管照耀到接收管，接收管将接到的光强转换为电流。假设莫菲氏滴管内无液滴滴落时，红外光光强损失小，接收管转换的电流较强；莫菲氏滴管内有液滴滴落时，红外光光强损失大，接收管转换的电流较弱。利用此原理， 设计如图 2 所示的电路，将电流变化转化为电压变化，从而将药液滴落状况转换为电压的变化状况。如图 2 所示，在 5 V 电源系统供电的状况下，红外发光二极管的发光频率由音频译码器 LM567 打算。当莫菲氏滴管内无液滴滴落时，接收管能接收到红外发光二极管发出的光，从而产生较强电流。电流足以使接收管内的三极管导通，三极管所在支路产生与二极管所在支路频率一样的电流。经过双运算放大器 LM358 的放大和反相，音频译码器 LM567 的 3 脚输入信号与中心振荡信号(图中输出信号)全都， 依据音频译码器 LM567 的工作原理，8 脚输出为 0 V 低电平。当莫菲氏滴管内有液滴滴落时，接收管接收到红外发光二极管发出的局部光，从而产生较弱的电流。电流缺乏以使接收管内的三极管导通。双运算放大器 LM358 的 U1 输入端输入信号与发光二极管的电流频率不全都，故而音频译码器 LM567 的 3 脚输入信号与中心振荡信号不全都，依据音频译码器 LM567 的工作原理，8 脚输出为 5 V 高电平。当药液不断滴落时，音频译码器 LM567 的 8 脚输出端口形成一个标准的矩形波正向脉冲。低电平表示无液滴滴落，高电平表示有液滴滴落。将 LM567 的 8 脚输出端连接到 STM32 的 I/O 端口上，利用定时器的输入捕获功能可测量出两个上升沿的时间间隔，也就是两个液滴之间的时间间隔，从而计算出液滴滴落速度。2.2 输液关断系统承受 15mm 步进电机和丝杆-螺母机构作为输液关断装置。STM32 微处理器通过 L293D 驱动步进电机转动，与步进电机相连的齿轮组也随之转动。丝杆-螺母机构固定在齿轮组最终一级的齿轮上。固定螺母的横向转动，螺母就会在丝杆转动的状况下轴向移动。输液关断装置正是利用螺母的轴向移动来挤压输液管，到达掌握输液速度的目的。由于 STM32 的负载力量有限，不能直接驱动步进电机转动，所以有必要在STM32 和步进电机之间加上步进电机驱动电路，增加单片机带负载力量。系统承受 L293D 作为驱动芯片，该芯片完全能满足驱动需求。步进电机是纯粹的数字掌握电动机，由电脉冲信号即可转变成角位移。由于选用的15mm 步进电机为两相四线步进电机，故 STM32 须输出四路脉冲信号掌握电动机转动相位角。四路脉冲信号要依据步进电机的工作原理输入，本系统承受四相四拍脉冲输入，输入波形如图 3 所示。2.3 无线通信系统上位机和下位机间的信息交换方式承受串行通信，通信的转换方式承受 RS232 全双工配置。下位机 STM32 的异步串行接口与 RS232 标准串行通信电路之间通过通信接口芯片 MAX3232 转换信号电平，再经过 USR-WIFI232 芯片实现串口到 WiFi 数据包的双向透亮转发，上位机安装 WiFi 数据收发模块，从而实现无线通信3。上位机可收发多个下位机的数据，实现监控的网络化。无线通信单元的外部电路连接如图 4 所示。上位机主动查询下位机的应答信号，假设一次收不到应答，则再发送一次查询信号； 假设连续三次收不到应答，则说明系统消灭故障，自动报警。假设系统给出应答，则双方依据规定的通信协议进入数据通信状态。 该无线通信单元安全牢靠、抗干扰力量强，室内通信传输距离可达 5060 m。该系统的软件局部可分为上位机监控治理软件和嵌入式程序两局部。其中，嵌入式程序包括主程序、滴速测量、速度掌握、按键设置、OLED 显示、无线通信、报警等程序单元。本文只介绍上位机监控治理软件、滴速测量子程序和无线通信子程序三个重点模块。3.1 上位机监控治理软件上位机监控治理软件用于帮助医护人员远程实时监控患者的输液状况，通过设定和修改相关参数转变输液进程。上位机监控治理软件是在 VS2023 平台下用 C#语言编写而成，其构造组成如图 5 所示。B/S 模式的前台网页效劳程序由三局部组成：系统登录界面程序、系统监测界面程序和系统用户操作界面程序。对登录的用户实行权限处理，权限不同登录的界面不同，进而操作也不同。C/S 模式下的 Windows 后台效劳程序，通过Socket 通信与 WiFi 进展数据传输，并且通过 SQL 语句把从效劳器上得到的数据存入数据库，对数据进展进一步加工，生成可视化内容供医护人员参考，进而做出相应决策。3.2 滴速测量子程序由前述可知，液滴检测电路将液滴滴落的状况转换为凹凸电平信号，低电平代表无液滴滴落，高电平代表捕获到液滴滴落，液滴不停地滴落形成 PWM 波形。利用STM32 的定时器可实现 PWM 的周期测量。简洁地说就是，定时器检测到上升沿时开头计数，当检测到下一次上升沿时，将当前计数值存放到对应通道的捕获/比较存放器中，完成 PWM 的周期测量。定时器测定的周期为两个液滴滴落的时间间隔，记为 T，选取计时精度为 1 ms。为了便于观看，通常记录滴速的单位为：滴/min，因此计算滴速的公式为： V=60*1000/T。由于液滴滴落状况易受环境影响，波动较大，为提高滴速测量精度，承受连续测量 3 个液滴取平均速度的方法。实践说明，此种测量方案完全能够到达测量精度要求。滴速测量子程序流程图如图 6 所示。3.3 无线通信子程序硬件搭建完成后，首先进展初始化。初始化的主要内容是设置波特率和效劳器 IP 地址，系统的波特率设置为 57 600 b/s，效劳器 IP 地址为：10.10.100.254。初始化完成后，点击建立 TCP 连接，USR-WIFI232 芯片进入监测状态，预备数据接收。当 USR-WIFI232 芯片接收到程序设置的相应频段的载波信号且接收到信号的地址信号与程序设置吻合时，芯片配对成功。设置芯片的工作模式为接收，上位机通过WiFi 网络，以设定的波特率把数据传输到 STM32 内。随后，STM32 通过 RS232 串口将反响信号传输至芯片，更改芯片工作模式为发送，反响信号再通过 WiFi 网络发送至监控治理软件，系统完成一次循环 4。重设置芯片的工作模式为接收， 重复以上过程，系统开头的循环，接收数据。无线通信子程序流程图如图 7所示。本文深入地分析了基于 STM32 的输液监控系统的工作原理和实现细节。该系统能够准确地测量和调整滴速。系统具有无线通信功能，实现了一机多能、一机多用， 便于医护人员集中治理，大大减轻了医护人员的工作强度。测试结果说明，该系统安全、牢靠、精度高，具有宽阔的应用前景。刘刚(1987-)，男，硕士争论生，主要争论方向：嵌入式系统。凌强(1975-)，通信作者，男，博士，副教授，博士生导师，主要争论方向：网络化掌握、嵌入式系统。E-mail:.cn。徐骏(1977-)，男，试验师，主要争论方向：嵌入式系统。【相关文献】1 刘枝国，刘世华. 静脉输液质量与风险处理预案M. 长沙：湖南科学技术出版社，2023.2 陈宇，王玺. 基于光电技术智能输液监控系统设计J. 核电子学与探测技术，2023，29 (5)： 1149-1154.3 冯爽，蒋念平. 基于 STM32 的无线数据传输综合应用J. 计算机系统应用，2023，21 (9)： 228-231.4 杨光伟，钱志余，李韪韬，等. 一种型智能输液监护系统的研制J.生物医学工程争论，2023， 30(1)：1-5.