在醫(yī)療系統(tǒng)中，病人在輸液過程中的監(jiān)控問題，一直是護士和病人關心的問題，一但監(jiān)控失誤就會使空氣進入人體的血液系統(tǒng)，造成嚴重的后果，甚至會使患者死亡?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)，多采用有線技術進行檢測傳感器網絡的組建。這類方案的特點是擴展性能差、布線繁瑣、移動性能差。由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、磨損，故障發(fā)生率較高。采用無線傳輸方式構建的無線傳感器網絡恰好可以避免這些問題。相對而言，無線的方式比較靈活，避免了重新布線的麻煩，網絡的基礎設施不再需要隱藏在墻里，無線網絡可以適應移動或變化的需要；但是，無線通信技術在醫(yī)院輸液監(jiān)控領域的應用相對較少。這主要是因為目前沒有一項無線通信技術適合在醫(yī)院輸液監(jiān)控領域進行廣泛地推廣，而且現(xiàn)有的無線通信產品的價格偏高，導致無線通信技術在醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的應用停滯不前。ZigBee技術的出現(xiàn)就解決了這些問題。將無線ZigBee傳感器網絡和自動控制相結合，可以有效地實現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計。正是由于ZigBee技術具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、組網方式靈活、成本低、等待時間短等性能，相對于其他無線網絡技術，它更適合于組建醫(yī)療監(jiān)控網絡，實現(xiàn)無線網絡監(jiān)控。
1 系統(tǒng)方案設計
1.1 點滴速度與儲液面檢測
采用紅外光電傳感器測量點滴速度。當液滴滴下時，紅外光電傳感器發(fā)射的光透過液滴后強度發(fā)生變化，光電接收管接收強度變化的光信號后輸出變化的電壓信號，此電壓信號經過放大、整形后被轉化為TTL電平信號，送單片機計數(shù)來測量點滴速度。該傳感器具有體積小、靈敏度高、線性好等特點，其外圍電路簡單，性能穩(wěn)定可靠。
采用電容傳感測液位。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩片金屬薄片作為傳感電容，儲液液面下降，電容兩極之間的介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經過電容/電壓變換器后輸出電壓上升。當儲液液面降到警戒線時，轉換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉輸出開關信號。C/V變換電路具有優(yōu)良的線性度，較高的變換靈敏度與抗干擾性能。
1.2 無線傳輸模塊
從網絡節(jié)點邏輯功能上，ZigBee設備可以分為終端設備（enddevice）、路由節(jié)點（router）、網絡協(xié)調器（PANco-ordinator）；從設備的功能性上區(qū)分，可以分為全功能設備FFD（FullFunctionDevice）和簡約功能設備RFD（Re-ducedFunctionDevice）［4］。其中，全功能設備可以充當網絡協(xié)調器、路由結點或終端設備，而簡約功能設備只能充當終端設備節(jié)點。因此，從網絡邏輯結構上分析，ZigBee醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)內的數(shù)據集中器是ZigBee網絡中的網絡協(xié)調器；數(shù)據集中點是路由節(jié)點；無線傳感器是終端節(jié)點，根據傳感器安置的位置，也可設為路由節(jié)點。一個ZigBee網絡最多支持65535個節(jié)點，完全可以滿足需要。
2 系統(tǒng)硬件設計及工作原理
2.1 數(shù)據接收端
數(shù)據接收端使用相同的無線收發(fā)模塊，并利用RS232異步串口與PC機通信。其功能相當于一個接入點，一方面將主機向數(shù)據采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據并上傳給主機。系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構圖
2.2 數(shù)據采集端
1）點滴速度測量模塊
該部分采用紅外傳感器測量點滴速度，所用光電檢測器型號是ST-178紅外發(fā)射接收對管。光電接收器件內部LED的P-I特性為：
P=Ne*Ni*h*v*I/q，
式中：Ne表示外量子效應；Ni表示內量子效應；I為注入電流；q為過流時的電量。
把紅外發(fā)射和接收管正對著固定在滴斗兩側，當液滴滴下時，紅外發(fā)射器發(fā)出的光信號透過液滴時接收端光功率發(fā)生變化，光電接收管將變化的光信號轉換為變化的電信號，由于電信號非常微弱，應放大到一定程度且通過積分電路消除干擾，再經比較器整形得到與點滴同頻的方波。經STC89LE516AD單片機對脈沖計數(shù)，得到點滴速度。電路原理如圖2所示。
圖2 點滴速度測量檢測模塊原理圖
2）儲液液面檢測模塊
數(shù)據采集端利用電容式傳感器，測量吊瓶中的液體存量，并把采集到的數(shù)據傳至無線發(fā)送模塊。由無線發(fā)送模塊把信號傳至監(jiān)控中心。原理圖如圖3所示。
圖3 儲液液面檢測模塊原理圖
電容、電壓變換電路原理說明如下：
波形輸入的正半周由于被限幅，負半周時導通，在輸入波形的正半周，輸入波形被限幅在0.7V，波形以-E跳變至0.7V.利用電容電壓特性曲線在儲液瓶的瓶身貼兩塊金屬薄片作為傳感電容，儲液液面下降，電容兩極間介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經過電容電壓變換器輸出后電壓上升。當儲液液面降到警戒線時，此時測量所得電容值約為43pF，調整回差比較器閾值電壓使其低于電容電壓變換器輸出電壓值，比較器翻轉輸出開關信號，通過STC89LE516AD單片機檢測傳給無線發(fā)送模塊。
3）無線傳輸模塊
采用CC2500ZigBee模塊，CC2500是一款低成本、低功耗、高性能的無線收發(fā)芯片。其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段；具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9？？A的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于0.6？？A的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CS-MA/CA功能；電壓為（1.8～3.6）V;在傳輸模式下，當輸出功率為-12dBm時，電流消耗為12mA.CC2500的接收器敏感度為-101dBm（在10kbps時）；最大輸出功率為0dBm，數(shù)據速率可在（1.2～500）kbps之間變化；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個MAC計時器、1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。
系統(tǒng)工作原理：當傳感器測試到液體存量信號和點滴速度時，由無線傳輸模塊把信息發(fā)送至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對這些數(shù)據進行計算處理。根據預先設定的有關規(guī)則（例如：設定液體存量為多少時報警，提醒醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)護措施），將這些數(shù)據轉換為適當?shù)膱缶瘎幼髦笜?，相應地發(fā)出報警。醫(yī)護人員根據監(jiān)控系統(tǒng)提示進行操作。
在醫(yī)療系統(tǒng)中，病人在輸液過程中的監(jiān)控問題，一直是護士和病人關心的問題，一但監(jiān)控失誤就會使空氣進入人體的血液系統(tǒng)，造成嚴重的后果，甚至會使患者死亡?，F(xiàn)有的控制系統(tǒng)，多采用有線技術進行檢測傳感器網絡的組建。這類方案的特點是擴展性能差、布線繁瑣、移動性能差。由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、磨損，故障發(fā)生率較高。采用無線傳輸方式構建的無線傳感器網絡恰好可以避免這些問題。相對而言，無線的方式比較靈活，避免了重新布線的麻煩，網絡的基礎設施不再需要隱藏在墻里，無線網絡可以適應移動或變化的需要；但是，無線通信技術在醫(yī)院輸液監(jiān)控領域的應用相對較少。這主要是因為目前沒有一項無線通信技術適合在醫(yī)院輸液監(jiān)控領域進行廣泛地推廣，而且現(xiàn)有的無線通信產品的價格偏高，導致無線通信技術在醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的應用停滯不前。ZigBee技術的出現(xiàn)就解決了這些問題。將無線ZigBee傳感器網絡和自動控制相結合，可以有效地實現(xiàn)醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計。正是由于ZigBee技術具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、組網方式靈活、成本低、等待時間短等性能，相對于其他無線網絡技術，它更適合于組建醫(yī)療監(jiān)控網絡，實現(xiàn)無線網絡監(jiān)控。
1 系統(tǒng)方案設計
1.1 點滴速度與儲液面檢測
采用紅外光電傳感器測量點滴速度。當液滴滴下時，紅外光電傳感器發(fā)射的光透過液滴后強度發(fā)生變化，光電接收管接收強度變化的光信號后輸出變化的電壓信號，此電壓信號經過放大、整形后被轉化為TTL電平信號，送單片機計數(shù)來測量點滴速度。該傳感器具有體積小、靈敏度高、線性好等特點，其外圍電路簡單，性能穩(wěn)定可靠。
采用電容傳感測液位。在儲液瓶的瓶身正對著貼兩片金屬薄片作為傳感電容，儲液液面下降，電容兩極之間的介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經過電容/電壓變換器后輸出電壓上升。當儲液液面降到警戒線時，轉換電壓高于回差比較器閥值電壓，比較器翻轉輸出開關信號。C/V變換電路具有優(yōu)良的線性度，較高的變換靈敏度與抗干擾性能。
1.2 無線傳輸模塊
從網絡節(jié)點邏輯功能上，ZigBee設備可以分為終端設備（enddevice）、路由節(jié)點（router）、網絡協(xié)調器（PANco-ordinator）；從設備的功能性上區(qū)分，可以分為全功能設備FFD（FullFunctionDevice）和簡約功能設備RFD（Re-ducedFunctionDevice）［4］。其中，全功能設備可以充當網絡協(xié)調器、路由結點或終端設備，而簡約功能設備只能充當終端設備節(jié)點。因此，從網絡邏輯結構上分析，ZigBee醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)內的數(shù)據集中器是ZigBee網絡中的網絡協(xié)調器；數(shù)據集中點是路由節(jié)點；無線傳感器是終端節(jié)點，根據傳感器安置的位置，也可設為路由節(jié)點。一個ZigBee網絡最多支持65535個節(jié)點，完全可以滿足需要。
2 系統(tǒng)硬件設計及工作原理
2.1 數(shù)據接收端
數(shù)據接收端使用相同的無線收發(fā)模塊，并利用RS232異步串口與PC機通信。其功能相當于一個接入點，一方面將主機向數(shù)據采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據并上傳給主機。系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構圖
2.2 數(shù)據采集端
1）點滴速度測量模塊
該部分采用紅外傳感器測量點滴速度，所用光電檢測器型號是ST-178紅外發(fā)射接收對管。光電接收器件內部LED的P-I特性為：
P=Ne*Ni*h*v*I/q，
式中：Ne表示外量子效應；Ni表示內量子效應；I為注入電流；q為過流時的電量。
把紅外發(fā)射和接收管正對著固定在滴斗兩側，當液滴滴下時，紅外發(fā)射器發(fā)出的光信號透過液滴時接收端光功率發(fā)生變化，光電接收管將變化的光信號轉換為變化的電信號，由于電信號非常微弱，應放大到一定程度且通過積分電路消除干擾，再經比較器整形得到與點滴同頻的方波。經STC89LE516AD單片機對脈沖計數(shù)，得到點滴速度。電路原理如圖2所示。
圖2 點滴速度測量檢測模塊原理圖
2）儲液液面檢測模塊
數(shù)據采集端利用電容式傳感器，測量吊瓶中的液體存量，并把采集到的數(shù)據傳至無線發(fā)送模塊。由無線發(fā)送模塊把信號傳至監(jiān)控中心。原理圖如圖3所示。
圖3 儲液液面檢測模塊原理圖
電容、電壓變換電路原理說明如下：
波形輸入的正半周由于被限幅，負半周時導通，在輸入波形的正半周，輸入波形被限幅在0.7V，波形以-E跳變至0.7V.利用電容電壓特性曲線在儲液瓶的瓶身貼兩塊金屬薄片作為傳感電容，儲液液面下降，電容兩極間介電常數(shù)減小，電容值隨之減小，經過電容電壓變換器輸出后電壓上升。當儲液液面降到警戒線時，此時測量所得電容值約為43pF，調整回差比較器閾值電壓使其低于電容電壓變換器輸出電壓值，比較器翻轉輸出開關信號，通過STC89LE516AD單片機檢測傳給無線發(fā)送模塊。
3）無線傳輸模塊
采用CC2500ZigBee模塊，CC2500是一款低成本、低功耗、高性能的無線收發(fā)芯片。其工作頻段為2.4GHz的ISM頻段；具有良好的無線接收靈敏度和強大的抗干擾能力；在休眠模式時僅0.9？？A的流耗，外部中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于0.6？？A的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CS-MA/CA功能；電壓為（1.8～3.6）V;在傳輸模式下，當輸出功率為-12dBm時，電流消耗為12mA.CC2500的接收器敏感度為-101dBm（在10kbps時）；最大輸出功率為0dBm，數(shù)據速率可在（1.2～500）kbps之間變化；帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個MAC計時器、1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。
系統(tǒng)工作原理：當傳感器測試到液體存量信號和點滴速度時，由無線傳輸模塊把信息發(fā)送至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對這些數(shù)據進行計算處理。根據預先設定的有關規(guī)則（例如：設定液體存量為多少時報警，提醒醫(yī)生執(zhí)行醫(yī)護措施），將這些數(shù)據轉換為適當?shù)膱缶瘎幼髦笜耍鄳匕l(fā)出報警。醫(yī)護人員根據監(jiān)控系統(tǒng)提示進行操作。
3 軟件流程
系統(tǒng)的軟件由數(shù)據采集端和數(shù)據接收端程序組成，均包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。初始化程序主要是對單片機、射頻芯片、SPI等進行處理；發(fā)射程序將建立的數(shù)據包通過單片機SPI接口送至射頻發(fā)生模塊輸出；接收程序完成數(shù)據的接收并進行處理。接收端軟件流程如圖4所示，數(shù)據采集端軟件流程如圖5所示。
圖4 接收端軟件流程圖
圖5 數(shù)據采集端軟件流程圖
4 調試與測試
4.1 調試
1）硬件調試
儲液液面檢測電路的調試。調試時，液滴滴下，液面水位降低，傳感電容值減小，當液面降到警戒值時，傳感電容數(shù)值經電容/電壓轉換后得到對應的電壓值，根據電壓值調節(jié)電位器以調整回差比較器限值。點滴速度檢測及控制電路的調試。用秒表人工測量點滴速度，與預先設定的點滴速度比較，若誤差在指定的范圍外則用反復實驗的方法改變軟件算法所設參數(shù)來控制液滴的流速。
2）軟件調試
軟件系統(tǒng)很大，調試比較復雜。須通過仿真機來調試，采取的是自下而上的調試方法，即單獨調試好每個模塊，然后再連接成一個完整的系統(tǒng)調試，成功后下載到單片機統(tǒng)調。
3）軟硬聯(lián)調
軟件和硬件之間的聯(lián)系緊密，硬件測量完畢后，將數(shù)據送單片機分析、計算、控制。
4.2 指標測試
1）點滴速度測試
通過主機和終端節(jié)點設定滴數(shù)，用兩個秒表定時，一個秒表用于測定每分鐘滴數(shù)，另一個秒表用于測定系統(tǒng)達到預定滴速并穩(wěn)定的時間，見表1.
2）通信系統(tǒng)測試
采用主機與終端的多級半雙工通信，完成主機對終端節(jié)點的監(jiān)測和控制功能。開機時，終端設定終端號，主機對各終端進行查詢，如果在規(guī)定的時間無響應，則認為終端為關閉狀態(tài)，見表2～表5.
根據測試所得數(shù)據分析本系統(tǒng)，可在設定范圍（20～150）滴/min內對點滴速度進行控制，各種情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定時間均小于3s;同時，系統(tǒng)主機終端通信功能正常。
表1 點滴速度測試
表2 主機控制報文格式
表3 主機應答報文格式
表4 終端返回的正確應答報文格式
表5 終端返回的錯誤應答報文格式
5 結論
基于ZigBee技術的醫(yī)療輸液無線監(jiān)控系統(tǒng)，可以準確地采集輸液吊瓶液體存量信息，并通過無線傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對患者的實時監(jiān)控。一個功能完善，基于ZigBee技術的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)將得到推廣和應用。具有低功耗和低成本的獨特優(yōu)勢的ZigBee系統(tǒng)將會在不遠的將來取得更大的發(fā)展。