锚杆挡墙郑健
【期刊名称】《《汕头大学学报（自然科学版）》》
【年(卷),期】2019(034)004
【总页数】10页(P71-80)
【关键词】ESP8266; 输液控制; 物联网云平台; 智能输液
【作 者】郑健
【作者单位】湄洲湾职业技术学院 福建莆田351254
【正文语种】中 文
【中图分类】TP277.2; TP399
0 引 言
静脉输液是临床医学常用的一种经静脉注入大量无菌溶液或药物的手段[1].它作为一种非常重要的给药途径广泛应用于医疗行业，但近年来由于种种原因，在输液过程中导致诸多问题，引发一些不必要的事故，给患者带来一些安全隐患.经过笔者深入我市2 家三甲医院及多家民营医院，做了近五百份调查问卷，发现了一些输液方面的主要问题：所调研医院未能提供输液计时服务；其使用的输液泵只具备手动滴速控制功能，医护人员无法远程监控输液情况；患者自行调快滴速引发事故无法较好杜绝；输液结束时血液回流甚至空气栓塞等不良的后果无法得到警示或监控预警.
1 系统设计概述
根据上述调研情况，本文设计了一种结合物联网技术、、云平台的智能输液实时监控系统.系统结构图如图1所示，该系统在输液终端实现输液计时、滴速监控、滴速控制、余量报警、回流监控等功能，并通过ESP8266 无线传输模块把实时数据传输到云服务器，实现查询、服务端监控、数据溯源等功能，为医护人员提供详细的输液相关信息，解决输液过程出现的滴速设置不当、换药不及时、血液回流等问题，极大提高输液的安全性和可靠性，同时数据为医疗管理部门监管提供基础，这也为患者提供一个更安全可靠的医疗环境，实现安全、可靠、智能的输液. 图1 智能输液系统结构图
2 终端设备设计
该系统硬件基本组成及计数算法的概念设计在早期的论文中有涉及[2]，系统的主要特征有：滴速，输液量，输液时间和结束预警等，主要通过检测点滴速率来计算.部分论文[3]有涉及到使用一些机器学习的算法进行较为精确的计算方式，但在硬件的成本及对时间的精度上的综合考虑还是采用点滴参数设定的计算方式. 2.1 算法设计
本文使用Dr 来代表滴速（gtt/min），V 代表点滴总容量（ml），T 代表已经注射时间（min），Df 代表在系统初始根据输液设备的滴管形状及大小情况由医护人员设定的点滴参数（gtt/ml，临床上，一般系统预置为10，15，20，30），其中gtt 为滴的缩写.因此，gtt/ml 表示每ml 的点滴数，gtt/min 表示每分钟滴数.滴速用如公式（1）表示：
已经注射的容积用Vi 代表，用公式（2）进行计算
手动皂液器
因此，在输液开始时，点滴参数Df、所需的滴注速率Dr 和所需的输注体积参数V是存储在系统中.系统实时检测并及时进行预警，当检测值超出阈值时进行警报.
2.2 硬件设计
该终端硬件设计外观如图2所示，外形为水滴流线造型，液晶屏显示输液速度、结束时间及相关状态，外置有警报蜂鸣器，键盘供医护人员进行初始设定.
图2 输液监控终端外观设计
ca1214其硬件结构如图3所示，主要包括滴速检测模块、液位检测模块、滴速控制模块、血液回流检测模块、预警模块、通信模块.
图3 输液终端结构
其中滴速检测模块主要用红外对射装置进行检测；液位检测设置其液位阈值，利用红外发送接收方式判定液位是否低于警戒线，并通知预警模块响应；预警模块主要用于接收预警信号并发出输液现场的警示及通知医护人员控制室内的蜂鸣器、LED 灯、数码管显示器等
做出响应；滴速控制模块主要通过利用点滴瓶与输液位置的高度差可控制滴速的原理，使用电机拉动点滴瓶进行调速，以确保滴速在设定的阈值内；血液回流检测模块主要采用颜识别传感器TCS3200D，该传感器可以静态识别物体颜，不同颜输出不同频率[4]，通过频率检测以识别回流的红血液，并通知预警模块做出响应；通信模块主要使用MCU 中的ESP8266 模块，ESP8266 模块拥有高性能无线SOC；ESP8266 模块内部集成了 10 bit 高精度 ADC，TCP/IP 协议栈[5]，GPIO、UART、SPI、I2C 等接口，用户只需在软件开发工具包（SDK）基础上进行芯片编程，即可利用内置功能单元控制外部电路，采集外部信号，经过逻辑运算后发送至服务器[6].由于篇幅有限重点介绍滴速检测模块的硬件设计.
滴速检测电路设计如图4所示，该模块包含一个红外发射管、一个三线红外接收器和分压电路，对射装置分别安装在滴管的两侧.红外发射管输出38 kHz 红外线作为载波.一个红可见颜的发光二极管（LED）用作灯源和光敏电阻（LDR）用作光探测器.LED 由控制器和LDR 供电与标准电阻一起形成分压器电路.当信号由红外线输出时发射管不被液滴阻挡，它将被处理由接收器产生高压信号到MCU.相反，如果光线被一个点滴阻止，LDR 的阻抗增加，接收器会产生低压信号，产生了一个高电压到低电压的脉冲信号，最后，MCU 使用其
中断机制和过滤算法计算落下的液滴数量.
图4 滴速检测电路
病房呼叫系统分压电路由一个光敏电阻LDR 和一个2K 电阻组成.这个设计确保了到运算放大器的输入电压信号在光敏电阻LDR 的阻值范围内.比较器电路包括一个低通滤波器，其截止频率为1 Hz.当水滴滴落到管内，有可能落差反弹回来向上，导致错误的丢弃计数.低通滤波器将其视为噪声并消除相同的噪声，使用LM358 运算放大器作为该电路中的电压比较器.芯模
2.3 软件设计
输液终端数据流程如图5所示，系统初始化主要进行设备ID 设置、颜识别传感器TCS3200D 白平衡测试、清除历史配置数据等操作，后进行SmartConfig 配置入网.系统通过SmartConfig 技术将Esp8266 模块快速通过WIFI 进行入网配置，其过程是将预置配置进行尝试连网.如果预置为空则需要进行手动配置模式，手机APP 或发送包含WIFI 用户名和WIFI 密码的UDP 广播包或者组播包，智能终端的WIFI 芯片可以接收到该UDP 包，只需检测到UDP 的组织形式，系统通过接收到的UDP 包解密出现场环境的WIFI
用户名及密码，然后智能硬件配置收到的WIFI 用户名密码到指定WIFI 的AP 上.如果配置不成功超过2 次则在用户界面上进行提示，避免无效的死循环.
图5 数据传输流程
钢水包
2.4 通信机制设计
通信机制设计，采用消息队列系统.当传感器采集到相关数据后，终端通过ESP8266 模块尝试发送消息到云端服务器.终端成功连网后将现场的数据以HTTP 协议数据发送到远程服务器，服务器进行终端设备的安全校验，无误后写入数据库服务器.
设备终端根据设定的查询频率（或称心跳）向服务器进行数据状态查询，其数据包括该设备的ID、数据类型、有效性、相关返回信息及心跳包数据等，具体数据传输如下：
1）Id:xxx\r\n 代表其终端设备号，用于识别设备重要标识，避免丢包而进行2 次发送.ID 号用8 位表示，可通过服务系统配置软件对其进行初始设置，并进行患者关联及输液药品匹配；
2）Enabled 用于判断终端是否可用，是否结束输液处于注销状态；
3）Command=RequestData，用于标识是请求数据响应，而非采集数据；
4）ALT=*；BLOOD=*……用于查询如有预警信息或血液回流警示响应等，及预留医护人员下发信息等；
5）-＋-=-＋-心跳包数据.为保持终端的永久在线，在应用系统中过滤此数据包.
在接收端通过上传处理程序主要进行设备的ID 登记、Token 合法性的验证，并连接MySQL 数据库，将传感器的数据存储在相应的数据表中.在查询的状态下，它还负责进行设备状态的有效查询，并返回相应的状态值，如果既不是在接收或查询数据的状态，或所登记的ID、Token 不合法则关闭通讯.同时该程序这一个请求只能由设备终端发起，还杜绝直接访问，避免一些非法的入侵，确保数据的安全性.
如果数据发送不成功，终端会再次检测网络的有效性，并再次采集实时数据进行发送.发送数据包括内容和来源的标识，消息还包含生成内容时的时间戳，考虑到一定的延时性，这一个时间戳在写入数据服务器时产生.如因网络故障无法完成数据的传送则在系统内进行设置警报，提示及时联系医护人员进行人工操作.
3 物联网云平台开发
