摘要：基于電力線載波技術(shù)的輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由單片機(jī)、紅外線檢測(cè)電路和步進(jìn)電機(jī)組成的，并以SC1128擴(kuò)頻通信芯片為基礎(chǔ)，輔以外圍電路設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液液位和輸液速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制輸液速度。輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中輸液的液位和速度通過(guò)紅外檢測(cè)得到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)調(diào)制電路耦合到電力線上傳送至接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)傳給上位機(jī)，由上位機(jī)發(fā)出控制指令使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速度的控制。該系統(tǒng)具有自動(dòng)報(bào)警及同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)輸液對(duì)象的功能。
電力網(wǎng)是用戶(hù)普及的物理網(wǎng)絡(luò)，其用戶(hù)使用群是任何網(wǎng)絡(luò)都無(wú)法比擬的，而電力網(wǎng)的現(xiàn)有的主要用途是傳輸電能。如何利用電力網(wǎng)絡(luò)資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ?，使之成為繼電信、電話、無(wú)線通信、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的又一目標(biāo)。電力線載波通信是利用電力線路作為傳輸通道的載波通信，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。電力線載波通信和其他通信方式相比，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不需要進(jìn)行布線施工，網(wǎng)絡(luò)延伸廣泛，且現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定可靠的保障，因而在醫(yī)療設(shè)備中利用電力線通信實(shí)現(xiàn)通信與監(jiān)控是非常實(shí)際而有前景的。
1．輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能主要有兩個(gè)方面：一方面在病房要采集病人點(diǎn)滴瓶的液位信息，輸液結(jié)束時(shí)進(jìn)行本地報(bào)警，引起病人及病人家屬的注意；另一方面護(hù)士在工作站實(shí)時(shí)觀察病人輸液狀態(tài)，得到報(bào)警信號(hào)后做到及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
本設(shè)計(jì)將輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按功能劃分為兩部分，一部分安設(shè)在病房中，稱(chēng)之為病房輸液信息采集器（下位機(jī)），采集病人的液位信息。另一部分放置在護(hù)士站，由值班護(hù)士進(jìn)行監(jiān)控，接受采集器上傳的數(shù)據(jù)和輸液結(jié)束報(bào)警，這部分稱(chēng)為輸液監(jiān)測(cè)控制中心。具體的結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 載波通信控制器部分硬件設(shè)計(jì)
無(wú)論是輸液采集器還是輸液監(jiān)測(cè)控制中心都需要載波通信系統(tǒng)，只不過(guò)是輸液信息采集器增加了輸液信息采集與控制功能。
2.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)中采用具有擴(kuò)頻通信功能的SC1128作電力線載波芯片，用AT89C51作通信控制和輸液信息采集（在下位機(jī)中）芯片，利用RS232口先進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。圖2為通信系統(tǒng)的硬件框圖。
圖2 通信系統(tǒng)的硬件框圖
如圖2所示，信號(hào)由電力線經(jīng)耦合器、帶通濾波器和前級(jí)放大器進(jìn)入SC1128芯片。經(jīng)微處理器處理后數(shù)據(jù)送至上位機(jī)完成接收。信號(hào)經(jīng)SC1128通過(guò)功率放大器和耦合器發(fā)送至電力線上完成發(fā)送。
2.2 SC1128外圍硬件的設(shè)計(jì)
SC1128外圍電路由電源電路、耦合電路、濾波器、自動(dòng)增益前級(jí)放大器和功率放大器組成。
電源電路由工頻變壓器、濾波二極管電橋、濾波電容、三端穩(wěn)壓器等組成，主要為系統(tǒng)提供+12V與+5V電源。耦合電路由中頻變壓器、浪涌保護(hù)二極管和起限幅作用的二極管等組成，是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，載波信號(hào)經(jīng)它耦合到220V交流電路上。帶通濾波器由電容與電感組成，信號(hào)由耦合電路輸入，濾掉雜波，再把信號(hào)輸入到自動(dòng)增益前級(jí)放大器電路。自動(dòng)增益前級(jí)放大器是將接收的信號(hào)進(jìn)行不失真放大，再輸入SC1128的片內(nèi)放大電路。功率放大器電路是將經(jīng)過(guò)SC1128芯片處理后的脈沖放大，（此輸出為OC門(mén)輸出，在使用過(guò)程是應(yīng)接上拉電阻，本電路上拉電阻值為2k。功率放大器由12V直流供電）。具體電路圖略。
2.3 SC1128與單片機(jī)的接口
圖3是SC1128與AT89C51的接口圖。SC1128第28腳為電路工作主時(shí)鐘的二分之一的晶振輸出。32腳電壓監(jiān)測(cè)端。33腳看門(mén)狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化。34腳看門(mén)狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖。35腳與32腳配合，當(dāng)電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出低電平，當(dāng)高于監(jiān)測(cè)值，則輸出高電平。36腳收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射。37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化。38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端。40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端。41腳為片選輸入端。當(dāng)發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置高，SC1128芯片發(fā)出同步脈沖（37腳），單片機(jī)通過(guò)TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置低，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步脈沖，通過(guò)TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。
圖3 SC1128與AT89C51的接口圖
摘要：基于電力線載波技術(shù)的輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由單片機(jī)、紅外線檢測(cè)電路和步進(jìn)電機(jī)組成的，并以SC1128擴(kuò)頻通信芯片為基礎(chǔ)，輔以外圍電路設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液液位和輸液速度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制輸液速度。輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中輸液的液位和速度通過(guò)紅外檢測(cè)得到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)調(diào)制電路耦合到電力線上傳送至接收端，數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)傳給上位機(jī)，由上位機(jī)發(fā)出控制指令使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸液速度的控制。該系統(tǒng)具有自動(dòng)報(bào)警及同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)輸液對(duì)象的功能。
電力網(wǎng)是用戶(hù)普及的物理網(wǎng)絡(luò)，其用戶(hù)使用群是任何網(wǎng)絡(luò)都無(wú)法比擬的，而電力網(wǎng)的現(xiàn)有的主要用途是傳輸電能。如何利用電力網(wǎng)絡(luò)資源潛力，在不影響傳輸電能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)窄帶或?qū)拵ㄐ牛怪蔀槔^電信、電話、無(wú)線通信、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的又一目標(biāo)。電力線載波通信是利用電力線路作為傳輸通道的載波通信，是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式。電力線載波通信和其他通信方式相比，具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不需要進(jìn)行布線施工，網(wǎng)絡(luò)延伸廣泛，且現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定可靠的保障，因而在醫(yī)療設(shè)備中利用電力線通信實(shí)現(xiàn)通信與監(jiān)控是非常實(shí)際而有前景的。
1．輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能主要有兩個(gè)方面：一方面在病房要采集病人點(diǎn)滴瓶的液位信息，輸液結(jié)束時(shí)進(jìn)行本地報(bào)警，引起病人及病人家屬的注意；另一方面護(hù)士在工作站實(shí)時(shí)觀察病人輸液狀態(tài)，得到報(bào)警信號(hào)后做到及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
本設(shè)計(jì)將輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按功能劃分為兩部分，一部分安設(shè)在病房中，稱(chēng)之為病房輸液信息采集器（下位機(jī)），采集病人的液位信息。另一部分放置在護(hù)士站，由值班護(hù)士進(jìn)行監(jiān)控，接受采集器上傳的數(shù)據(jù)和輸液結(jié)束報(bào)警，這部分稱(chēng)為輸液監(jiān)測(cè)控制中心。具體的結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2. 載波通信控制器部分硬件設(shè)計(jì)
無(wú)論是輸液采集器還是輸液監(jiān)測(cè)控制中心都需要載波通信系統(tǒng)，只不過(guò)是輸液信息采集器增加了輸液信息采集與控制功能。
2.1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)中采用具有擴(kuò)頻通信功能的SC1128作電力線載波芯片，用AT89C51作通信控制和輸液信息采集（在下位機(jī)中）芯片，利用RS232口先進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。圖2為通信系統(tǒng)的硬件框圖。
圖2 通信系統(tǒng)的硬件框圖
如圖2所示，信號(hào)由電力線經(jīng)耦合器、帶通濾波器和前級(jí)放大器進(jìn)入SC1128芯片。經(jīng)微處理器處理后數(shù)據(jù)送至上位機(jī)完成接收。信號(hào)經(jīng)SC1128通過(guò)功率放大器和耦合器發(fā)送至電力線上完成發(fā)送。
2.2 SC1128外圍硬件的設(shè)計(jì)
SC1128外圍電路由電源電路、耦合電路、濾波器、自動(dòng)增益前級(jí)放大器和功率放大器組成。
電源電路由工頻變壓器、濾波二極管電橋、濾波電容、三端穩(wěn)壓器等組成，主要為系統(tǒng)提供+12V與+5V電源。耦合電路由中頻變壓器、浪涌保護(hù)二極管和起限幅作用的二極管等組成，是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ?，載波信號(hào)經(jīng)它耦合到220V交流電路上。帶通濾波器由電容與電感組成，信號(hào)由耦合電路輸入，濾掉雜波，再把信號(hào)輸入到自動(dòng)增益前級(jí)放大器電路。自動(dòng)增益前級(jí)放大器是將接收的信號(hào)進(jìn)行不失真放大，再輸入SC1128的片內(nèi)放大電路。功率放大器電路是將經(jīng)過(guò)SC1128芯片處理后的脈沖放大，（此輸出為OC門(mén)輸出，在使用過(guò)程是應(yīng)接上拉電阻，本電路上拉電阻值為2k。功率放大器由12V直流供電）。具體電路圖略。
2.3 SC1128與單片機(jī)的接口
圖3是SC1128與AT89C51的接口圖。SC1128第28腳為電路工作主時(shí)鐘的二分之一的晶振輸出。32腳電壓監(jiān)測(cè)端。33腳看門(mén)狗輸入端，正常工作時(shí)應(yīng)該在768ms內(nèi)產(chǎn)生一次高低電位變化。34腳看門(mén)狗輸出端，與33腳配合，正常時(shí)輸出低電平，否則輸出三分之一占空比的復(fù)位脈沖。35腳與32腳配合，當(dāng)電源信號(hào)低于監(jiān)測(cè)值時(shí)，輸出低電平，當(dāng)高于監(jiān)測(cè)值，則輸出高電平。36腳收發(fā)控制端，0為接收，1為發(fā)射。37腳在發(fā)射和接受同步后產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，頻率隨工作主時(shí)鐘和周波的變化而變化。38腳為輸出發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。39腳為設(shè)置數(shù)據(jù)及狀態(tài)的輸入輸出端。40腳為同步設(shè)置時(shí)鐘輸入端。41腳為片選輸入端。當(dāng)發(fā)射狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置高，SC1128芯片發(fā)出同步脈沖（37腳），單片機(jī)通過(guò)TX端（38腳）同步發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)接收狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將SR端（36腳）置低，SC1128芯片若接收到數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生同步脈沖，通過(guò)TX端（38腳）將數(shù)據(jù)同步發(fā)送到單片機(jī)。
圖3 SC1128與AT89C51的接口圖
3. 載波通信系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)
通信模塊的程序主要包括發(fā)送測(cè)試程序、發(fā)送中斷服務(wù)程序、接受中斷服務(wù)程序，主要完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過(guò)程，程序清單略。
在進(jìn)行通信時(shí)還要注意中斷和通信的配合問(wèn)題，要先設(shè)置通信狀態(tài)，再開(kāi)放相應(yīng)的中斷。另外要注意先要讓接收一方工作之后再讓發(fā)送一方發(fā)送數(shù)據(jù)，這可以保證不丟失數(shù)據(jù)。
在編寫(xiě)通信程序時(shí)要注意，收、發(fā)雙方的通信速率要一致。門(mén)限值只對(duì)接收一方有意義，門(mén)限值的高低將影響到通信的誤碼率，但并非是門(mén)限值越高就一定越好，要根據(jù)各自的通信情況和相應(yīng)的速率適當(dāng)選擇。SC1128在通信時(shí)收、發(fā)要注意時(shí)序的配合。
4. 輸液信息采集器的設(shè)計(jì)
輸液信息采集器是在載波通信控制器的基礎(chǔ)上增加了輸液信息采集與控制功能。由圖3可以看出，通信控制器中只用了AT89C51的P1口和串行通信引腳，所以輸液信息采集器的設(shè)計(jì)巧妙地避開(kāi)了AT89C51的P1口和串行通信引腳，充分利用了AT89C51的P2和P3口實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)與控制功能。具體電路如圖4。
圖4 滴速控制與液位檢測(cè)報(bào)警電路圖
如圖4所示，由單片機(jī)編程，將滴速檢測(cè)信號(hào)送到單片機(jī)與設(shè)置在單片機(jī)的滴速比較，再由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片SAA1027對(duì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)液瓶的高度控制。這樣就可以對(duì)滴速進(jìn)行控制了。
將光電傳感器安裝到輸液瓶上，當(dāng)輸液瓶的液位到達(dá)警戒液位時(shí)由于介質(zhì)的變化使傳感器的輸出電壓發(fā)生變化。從而實(shí)現(xiàn)液位警戒值檢測(cè)和極限值檢測(cè)，聲光報(bào)警就是利用單片機(jī)AT89C51的I/O口控制并驅(qū)動(dòng)發(fā)光管和蜂鳴器工作，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。
5. 系統(tǒng)調(diào)試
對(duì)電力載波終端的測(cè)試是在同一臺(tái)變壓器范圍內(nèi)的某一單相上進(jìn)行的。一臺(tái)電力載波終端配一臺(tái)接收機(jī)進(jìn)行電力載波通信測(cè)試。分別在不同時(shí)間段和不同通信距離進(jìn)行了測(cè)試，具體的測(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 電力載波終端的測(cè)試數(shù)據(jù)
測(cè)試結(jié)果表明，近距離測(cè)試時(shí)，在有負(fù)載和較強(qiáng)干擾如電力載波終端和接收機(jī)間有十幾臺(tái)正在運(yùn)行的電腦和幾個(gè)充電設(shè)備的情況下，電力載波終端仍能可靠的通信，完全滿(mǎn)足通信與測(cè)控的要求。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用擴(kuò)頻通信電力線載波芯片SC1128和AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電力線載波，利用低壓電力線作為通信媒介，不需要進(jìn)行重新布線施工實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)化，做到了病房輸液系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)也證明了擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有更好適應(yīng)性和先進(jìn)性，進(jìn)一步展示了低壓電力載波通信的美好發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 劉建偉，余永權(quán)，邊增遠(yuǎn)。基于電力線擴(kuò)頻通信的智能家居網(wǎng)絡(luò)。微計(jì)算機(jī)信息（測(cè)控自動(dòng)化）.2005， 12-1:160-162
?。?］ 陳靜，張建平，劉玉梅。自動(dòng)輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).Control Engineering China.2006，（6）
?。?］ 陳炎桂，陳志偉，關(guān)德新。基于SC128的無(wú)線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。電子技術(shù)應(yīng)用.2005，（12）
?。?］ 周文光。一種簡(jiǎn)易醫(yī)用輸注器械液面檢測(cè)報(bào)警裝置的研制。醫(yī)療裝備.2004，（6）
?。?］ 李和太，趙新，李新，夏加寬。智能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的研制。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2006，28（3）