基于ZigBee的无线输液监控方案 - RF/无线 - 电子发烧友网

在医疗系统中，护士和患者一直关心患者在输液过程中的监测问题。一旦监测错误，空气就会进入人体血液系统，造成严重后果，甚至死亡。现有的控制系统大多采用有线技术检测传感器网络的形成。该方案具有扩展性能差、布线繁琐、移动性能差等特点。由于硬线连接，线路易老化或腐蚀、磨损，故障率高。无线传感器网络通过无线传输构建，可以避免这些问题。相对而言，无线模式更加灵活，避免了重新布线的麻烦。网络的基础设施不再需要隐藏在墙上，无线网络可以满足移动或变化的需要；然而，无线通信技术在医院输液监测领域的应用相对较少。这主要是因为医院输液监测领域没有适合广泛推广的无线通信技术，现有无线通信产品价格高，导致无线通信技术在医疗监测系统中的应用停滞不前。ZigBee技术的出现解决了这些问题。将无线ZigBee传感器网络和自动控制相结合，可以有效地实现医院输液监控系统的设计。正是由于ZigBee与其他无线网络技术相比，该技术具有功耗活、成本低、等待时间短等特点。与其他无线网络技术相比，更适合建立医疗监控网络，实现无线网络监控。

1 系统方案设计

1.1 滴滴速度和储液面检测

用红外光电传感器测量点滴速度。当液滴下降时，红外光电传感器发出的光通过液滴后强度发生变化，光电接收管接收强度变化后输出变化的电压信号，放大整形后转化为TTL传感器具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，性能稳定可靠。

采用电容传感液位。储液瓶的瓶体面对两个金属薄片作为传感电容，储液液位下降，电容两极之间的介电常数下降，电容值下降，输出电压通过电容/电压变换器上升。当储液液位降至警戒线时，转换电压高于回差比较器的阀值电压，比较器翻转输出开关信号。C/V变换电路具有好，变换灵敏度高，抗干扰性好。

1.2 无线传输模块

从网络节点的逻辑功能，ZigBee可分为终端设备(enddevice)、路由节点(router)、网络协调器(PANco-ordinator)；区分设备的功能，可分为全功能设备FFD(FullFunconDevice)还有简单的功能设备RFD(Re-ducedFunconDevice)［4］。全功能设备可作为网络协调器、路由结点或终端设备，而简单的功能设备只能作为终端设备节点。其中，全功能设备可用作网络协调器、路由结点或终端设备，而简单的功能设备只能用作终端设备节点。因此，从网络逻辑结构的分析，ZigBee医疗监控系统中的数据集中器是ZigBee网络中的网络协调器；数据集中点是路由节点；根据传感器的位置，无线传感器是终端节点。一个ZigBee网络最多支持65535个节点，完全可以满足需求。

2 系统硬件设计及工作原理

2.1 数据接收端

数据接收器使用相同的无线接收模块RS232异步串口与PC机器通信。它的功能相当于一个接入点。一方面，主机发送到数据采集端的控制信号是无线发送的，另一方面，它接收并上传到主机。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 数据采集端

1)点滴速度测量模块

用红外传感器测量点滴速度，用光电检测器型号为ST-178红外发射接收对管。光电接收器内部LED的P-I特性为：

P=Ne*Ni*h*v*I/q，

式中：Ne表示外量子效应；Ni表示内量子效应；I注入电流；q过流时的电量。

红外发射和接收管固定在滴斗两侧，当液滴下降时，红外发射器发出的光信号通过接收端光功率变化，光电接收管将变化的光信号转换为变化的电信号，由于电信号非常弱，应放大到一定程度，通过积分电路消除干扰，然后通过比较器整形手术获得与点滴频率相同的方波。经STC89LE516AD单片机对脉冲计数，得到点滴速度。如图2所示。

图2 点滴速度测量检测模块原理图

2)储液液位检测模块

数据采集端使用电容传感器测量瓶中的液体库存，并将采集到的数据传输到无线发送模块。信号通过无线发送模块传输到监控中心。原理图如图3所示。

图3 储液液面检测模块原理图

电容、电压变换电路原理说明如下：

由于波形输入的正半周限制，负半周导通，输入波形的正半周限制为0.7V，波形以-E跳变至0.7V.利用电容电压特性曲线将两块金属薄片作为传感电容器粘贴在储液瓶的瓶体上，储液液位下降，电容两极之间的介电常数下降，电容值下降，电容电压变换器输出后电压上升。当储液液位降至警戒线时，测量的电容值约为43pF，调整回差比较器的阈值电压，使其低于电容电压变换器的输出电压值，比较器通过STC89LE516AD单片机检测传给无线发送模块。

3)无线传输模块

采用CC2500ZigBee模块，CC2500是一款低成本、低功耗、高性能的无线收发芯片。其工作频段为2.4GHz的ISM频带；无线接收灵敏度好，抗干扰能力强；休眠模式只有0.9？？A流耗，外部中断或RTC能唤醒系统；待机模式小于0.6？？A外部中断可以唤醒系统的流耗；硬件支持CS-MA/CA功能；电压为(1).8～3.6)V;输出功率为-12dBm电流消耗为12mA.CC2500接收器的敏感性为-101dBm(在10kbps)；最大输出功率为0dBm，(1)数据速率.2～500)kbps之间的变化；有两个强有力的协议支持几组协议USART，以及1个MAC一个常规的16位计时器和2个8位计时器。

系统工作原理：当传感器测试液体存量信号和点滴速度时，无线传输模块将信息发送到监控中心，监控中心计算和处理这些数据。根据预设的相关规则（例如，当设置液体存量时，提醒医生实施医疗措施），将这些数据转换为适当的报警动作指标，并相应地发出报警。医务人员根据监控系统的提示进行操作。

3 软件流程

系统的软件由数据采集端和数据接收端程序组成，均包括初始化程序、发射程序和接收程序。初始化程序主要是对单片机、射频芯片、SPI等待处理；发射程序将建立的数据包通过单片机SPI接口发送到射频发生模块输出；接收程序完成数据的接收和处理。接收端软件流程如图4所示，数据采集端软件流程如图5所示。

图4 接收软件流程图

图5 数据采集端软件流程图

4 调试与测试

4.1 调试

1)硬件调试

储液液位检测电路的调试。调试时，液滴下降，液位降低，传感电容值降低。当液位降至警戒值时，传感电容值通过电容/电压转换获得相应的电压值，并根据电压值调整电位器，以调整回差比较器的限值。点滴速度检测和控制电路调试。与预设的点滴速度相比，如果误差在指定范围之外，软件算法设置的参数应通过重复实验来控制液滴的流速。

2)软件调试

软件系统很大，调试也很复杂。必须通过模拟器进行调试，采用自下而上的调试方法，即单独调试每个模块，然后连接到完整的系统调试，成功下载到单片机统一调试。

3)软硬联调

软件与硬件密切相关。硬件测量后，将数据发送到单片机进行分析、计算和控制。

4.2 指标测试

1)点滴速度测试

滴数通过主机和终端节点设置，每分钟滴数用一秒表测量，系统达到预定滴速和稳定时间用另一秒表测量，见表1.

2)通信系统测试

采用主机和终端的多级半双工通信，完成主机对终端节点的监控。启动时，终端设置终端号，主机查询每个终端。如果在规定时间内没有响应，则认为终端关闭，见表2~表5.

根据测试得到的数据分析系统，可以在设定范围内(20~150)滴/min控制点滴速度，各种情况下系统稳定时间小于3s;同时，系统主机终端通信功能正常。

5 结论

基于ZigBee该技术的医疗输液无线监测系统可以通过无线传输到监测系统，准确收集输液瓶的液体存量信息，实现对患者的实时监测。基于功能的改进ZigBee技术的无线医疗监控系统将得到推广和应用。具有低功耗和低成本的独特优势的ZigBee在不久的将来，的将来取得更大的发展。