CN107812276A - 基于rfid技术的输液流速监测及控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法，其中包括通气管、输液瓶、瓶塞穿刺头、第一输液管软管、第二输液管软管、管壁压缩控制设备、滴斗、红外反射式光电传感器、阅读器、USB转串口设备和PC端。本发明通过利用RFID技术来实现输液瓶内药液的监测，从而实现对药液流速的实时监测，从而保障被输液者的人身安全；将小步距角步进电机与滚珠直线导轨丝杆及自主设计的开口凹槽组合，实现步进电机的旋转运动到丝杆直线运动之间的转换，所采用的RFID技术利用半有源电子标签大大地扩大了数据传输范围以及数据传输过程的稳定性及精确度，使得标签与阅读器之间能够进行远距离的识别以及数据的传输。

Description

基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法

技术领域

本发明涉及输液器械技术领域，具体是指一种基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法。

背景技术

现有的输液技术一般是由静脉滴注入体内的大剂量注射液，通常包装在玻璃或塑料的输液瓶或袋中，并将其悬挂在一定高度，利用重力的作用使液体通过输液皮管流入静脉内，使用时通过安装在输液器皮管上的调速夹进行手工调节，最后通过输液软管进入人体静脉中；或者是以大气压强等方法实现自动换瓶输液。通过以上输液方法，存在以下问题：1)采用传统方式的输液，对于不同病人不同病情或者对于某些需要一定流速输液的药物，往往不能实现对流速进行实时监测；2)传统的输液方式在不能进行实时的监测的同时更不能做到自动控制，若在输液过程中，滴速不适，很容易引起不良反应，更有甚者，则会导致出现死亡的不安全后果。

发明内容

本发明提供了一种基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法，其目的在于克服现有技术中的缺陷，实时检测性能强，且可对多个输液者进行实时保护。

为了实现上述目的，本发明具有如下构成：

该基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，包括通气管、输液瓶、瓶塞穿刺头、第一输液管软管、第二输液管软管、管壁压缩控制设备、滴斗、红外反射式光电传感器、阅读器、USB转串口设备和PC端，所述瓶塞穿刺头分别与所述第一输液管软管和输液瓶相连接，所述第一输液管软管分别与所述通气管和所述滴斗相连接，所述滴斗还与所述第二输液管软管相连接，所述红外反射式光电传感器与所述滴斗相连接，所述USB转串口设备分别与所述阅读器和所述PC端相连接，所述管壁压缩控制设备与所述PC端相连接；

所述红外反射式光电传感器包括第一电源模块、红外反射式光电传感器模块、第一单片机和无线射频模块，所述第一单片机分别与所述红外反射式光电传感器模块和所述无线射频模块相连接，所述第一电源模块分别为所述红外反射式光电传感器模块、第一单片机和无线射频模块供电；

所述管壁压缩控制设备包括外壳以及设置于所述外壳内的第二单片机、信号接收设备、第二电源模块、小步距角步进电机和滚珠直线导轨丝杆，所述第二电源模块分别为所述第二单片机和所述小步距角步进电机供电，所述第二单片机分别与所述小步距角步进电机和所述信号接收设备相连接，所述外壳上开设有开口凹槽，所述第一输液管软管设置于所述开口凹槽中，所述滚珠直线导轨丝杆上设置有挤压部，所述挤压部与所述开口凹槽的位置相对应。

可选地，所述红外反射式光电传感器为红外反射式光电传感器半有源电子标签，所述红外反射式光电传感器模块采用E18-D80NK红外反射式光电传感器。

可选地，所述无线射频模块为第一NRF24LE1模块，所述阅读器包括第二NRF24LE1模块。

可选地，所述USB转串口设备采用PL2303USB芯片。

可选地，所述外壳的一内侧壁上开设有所述开口凹槽，所述第二单片机、所述阅读器和所述第二电源模块设置于所述外壳的底面上方，所述外壳套设于所述第一输液管软管的外部。

可选地，所述小步距角步进电机为小步距角42HS8401混合式42步进电机。

可选地，所述挤压部包括挤压头，所述挤压头为半圆弧形。

可选地，所述挤压部为挤压杆，所述挤压杆垂直于所述外壳的设置有开口凹槽的一内侧壁，且所述挤压部的挤压头正对所述开口凹槽。

本发明实施例还提供一种基于RFID技术的输液流速监测及控制方法，包括如下步骤：

(1)所述红外反射式光电传感器模块采集所述滴斗处的药液流速信息，并通过所述无线射频模块发送至所述阅读器；

(2)所述阅读器将所述药液流速信息发送至所述PC端；

(3)所述PC端将所述药液流速信息与预设流速范围进行比较，如果所述药液流速信息中的流速大于预设最大流速，则将减速指令发送至所述阅读器，如果所述药液流速信息中的流速小于预设最小流速，则将加速指令发送至所述阅读器；

(4)所述阅读器将所述PC端发送的指令发送至所述第二单片机；

(5)所述第二单片机判断所述PC端发送的指令的类型，如果是减速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第一方向转动，使得所述挤压头进一步靠近所述第一输液管，如果是加速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第二方向转动，使得所述挤压头进一步远离所述第一输液管。

可选地，该基于RFID技术的输液流速监测及控制方法还包括如下步骤：

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息进行比较，如果前一时刻药液流速大于预设最大流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比无变化时，所述PC端判断所述管壁压缩控制设备故障，将报警信息发送至医务人员；

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息比较，如果前一时刻药液流速小于预设最小流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比速度无变化或速度更慢，所述PC端判断药液滴完，将报警信息发送至医务人员。

可选地，该基于RFID技术的输液流速监测及控制方法还包括如下步骤：

所述PC端判断药液滴完时，控制所述管壁压缩控制设备，使所述挤压头完全脱离所述第一输液管，使得当前第一输液管未受挤压；

所述PC端采集当前时刻的药液流速信息，并且根据当前时刻的药液流速确定报警等级。

采用了该发明中的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法，具有如下有益效果：

(1)通过利用RFID技术来实现输液瓶内药液输入的闭环系统设计，从而实现对药液流速的实时监测以及控制，从而进一步保障被输液者的人身安全。

(2)进一步，此系统通过将小步距角步进电机与滚珠直线导轨丝杆及自主设计的开口凹槽组合，实现步进电机的旋转运动到丝杆直线运动之间的转换，并且将输液软管放置于自主设计的开口凹槽之中，加上挤压头半圆弧型设计，在降低因为长期动作下造成输液软管的损坏率的同时，又对电机以及丝杆传动机构起到一定保护作用。

(3)此系统成本低、结构简单、能够有效弥补现有输液器的不足之处以及潜在的危险之处。

(4)本发明所采用的RFID技术利用半有源电子标签大大地扩大了数据传输范围以及数据传输过程的稳定性及精确度，使得标签与阅读器之间能够进行远距离的识别以及数据的传输。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于RFID技术流速监测及控制的输液器装置结构图；

图2是RFID技术原理图；

图3是RFID红外反射式光电传感器半有源电子标签的结构示意图；

图4是RFID阅读器的结构图；

图5是管壁压缩控制设备的结构示意图；

图6是管壁压缩控制设备的结构俯视图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

如图1～6所示，本发明提供了一种基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，包括通气管2、输液瓶1、瓶塞穿刺头3、第一输液管软管4、第二输液管软管8、管壁压缩控制设备5、滴斗6、红外反射式光电传感器7、阅读器9、USB转串口设备10和PC端11，所述瓶塞穿刺头3分别与所述第一输液管软管4和输液瓶1相连接，所述第一输液管软管4分别与所述通气管2和所述滴斗6相连接，所述滴斗6还与所述第二输液管软管8相连接，所述红外反射式光电传感器7与所述滴斗6相连接，所述USB转串口设备10分别与所述阅读器9和所述PC端11相连接，所述管壁压缩控制设备5与所述PC端11相连接；

所述红外反射式光电传感器7包括第一电源模块、红外反射式光电传感器模块、第一单片机和第一无线射频模块，所述第一单片机分别与所述红外反射式光电传感器模块和所述第一无线射频模块相连接，所述第一电源模块分别为所述红外反射式光电传感器模块、第一单片机和第一无线射频模块供电；

所述管壁压缩控制设备5包括外壳以及设置于所述外壳内的第二单片机12、信号接收设备即第二无线射频模块13、第二电源模块14、小步距角步进电机15和滚珠直线导轨丝杆16，所述第二电源模块14分别为所述第二单片机12和所述小步距角步进电机15供电，所述第二单片机12分别与所述小步距角步进电机15和所述信号接收设备13相连接，所述外壳上开设有开口凹槽17，所述第一输液管软管4设置于所述开口凹槽17中，所述滚珠直线导轨丝杆16上设置有挤压部，所述挤压部与所述开口凹槽17的位置相对应。

红外反射式光电传感器芯体用于采集软管内部药液的流速。红外反射式光电传感器的选型：红外传感器有很多种类，如直线式、凹槽式等，其中绝大多数存在体积太大或者精确度差等原因，在此次设计中，根据对测量对象与测量环境以及传感器使用条件的考虑，需要设计一个成本低、操作简单、适用性强、并且是不接触式的液滴测量设备。

本发明采用E18-D80NK红外反射式光电传感器，输入直流电压为：6-36VDC。其优点在于：优异的长期稳定性可直接集成到电路系统中直接放大电路结合；结构紧凑、易于封装；适用于大批量、低成本应用；低功率：额定电流＜25ma-抗冲动和震动；快速响应：信号反应时间<2ms。

本系统中所采用的红外反射式光电传感器为半有源电子标签，其大大扩大了无源电子标签的数据传输范围，集有源RFID和无源RFID优势于一体，使得本装置能够在采集大范围数据的同时，做到实时性好、识别速度快、安全性可靠。相关人员可以通过一台或者多台电脑来实现对大范围被输液者的输液情况进行实时数据采集与读取。

通过红外反射式光电传感器采集数据，并将数据经第一单片机以及第一无线射频模块传输至阅读器。

在一种较佳的实施方式中，所述无线射频模块为第一NRF24LE1模块，所述阅读器9包括第二NRF24LE1模块。NRF24LE1芯片是一款nRF24LE1采用了Nordic最新的无线和超低功耗技术，在一个极小封装中集成了包括2.4GHz无线传输，增强型51Flask高速单片机，丰富外设及接口等的单片Flash芯片。第一电源模块采用CR2025纽扣电池，其标称电压为3V。电源模块采用一个CR2025纽扣电池为各部分供电。

在一种较佳的实施方式中，所述USB转串口设备10采用PL2303USB芯片。USB转串口设备10为阅读器供电。USB转串口的选型：USB转串口选用PL2303USB转串口，其内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到各种设备，PL2303USB转串口模块提供四个引脚VCC、GND、TXD、RXD，输出电压有3.3V和5V两种模式，支持UART接口，可与NRF24LE1相连并对其供电。

在一种较佳的实施方式中，所述外壳的一内侧壁上开设有所述开口凹槽17，所述第二单片机12、所述阅读器9和所述第二电源模块14设置于所述外壳的底面上方，所述外壳套设于所述第一输液管软管4的外部。

在一种较佳的实施方式中，所述小步距角步进电机15为小步距角42HS8401混合式42步进电机15。其优点在于：电机运行过程中低发热、低噪音，不会影响到被输液者；并且电机长期运行时平稳性能好，加速性能好，能够最大限度保证控制的精准度；电机体积小，重量轻，易于安装；成本低，适用于大批量应用。第二电源模块采用12V可充电锂电池，可拆卸并且重复使用，降低成本的同时做到保护环境；第二电源模块为管壁压缩控制模块各部分供电。第二无线射频模块和阅读器通信，阅读器与第一无线射频模块通信，获取光电传感器的采集数据。指令从PC端经过阅读器和第二无线射频模块到达第二单片机。

在一种较佳的实施方式中，所述挤压部包括挤压头，所述挤压头为半圆弧形。进一步地，所述挤压部为挤压杆，所述挤压杆垂直于所述外壳的设置有开口凹槽17的一内侧壁，且所述挤压部的挤压头正对所述开口凹槽17。本发明通过将小步距角步进电机与滚珠直线导轨丝杆及自主设计的开口凹槽组合，实现步进电机的旋转运动到丝杆直线运动之间的转换，并且将输液软管放置于自主设计的开口凹槽之中，加上挤压头半圆弧型设计，在降低因为长期动作下造成输液软管的损坏率的同时，又对电机以及丝杆传动机构起到一定保护作用。

本发明一实施例还提供一种基于RFID技术的输液流速监测及控制方法，包括如下步骤：

(1)所述红外反射式光电传感器模块采集所述滴斗处的药液流速信息，并通过所述无线射频模块发送至所述阅读器；

(2)所述阅读器将所述药液流速信息发送至所述PC端；

(3)所述PC端将所述药液流速信息与预设流速范围进行比较，如果所述药液流速信息中的流速大于预设最大流速，则将减速指令发送至所述阅读器，如果所述药液流速信息中的流速小于预设最小流速，则将加速指令发送至所述阅读器；

(4)所述阅读器将所述PC端发送的指令发送至所述第二单片机；

(5)所述第二单片机判断所述PC端发送的指令的类型，如果是减速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第一方向转动，使得所述挤压头进一步靠近所述第一输液管，如果是加速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第二方向转动，使得所述挤压头进一步远离所述第一输液管。

因此，本发明采用了RFID技术对输液瓶内液体流速进行实时监测，当护士为病人完成输液后，开启系统，为病人设定合适滴速；之后，装置通过红外反射式光电传感器检测滴速，便将数据利用无线射频模块进行数据发送，再经阅读器模块接收由红外反射式光电传感器半有源电子标签传来的数据，最终反馈至电脑，若与设定值不符，则启动执行机构(压缩管壁的方法来调节流量)来调节滴速，直至实际滴速与设定值相符。当输液滴完，自动报警提示护士移除输液瓶或者更换输液瓶。此RFID技术可同时检测来自于多个被输液者的数据，通过标签的不同ID来获取不同输液者的输液瓶内药液的流速。

可选地，该基于RFID技术的输液流速监测及控制方法还包括如下步骤：

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息进行比较，如果前一时刻药液流速大于预设最大流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比无变化时，说明管壁压缩控制设备对于药液流速起不到控制作用，所述PC端判断所述管壁压缩控制设备故障，将报警信息发送至医务人员，需要请医务人员来进行维护，报警方式可以通过声光报警或其他报警方式；

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息比较，如果前一时刻药液流速小于预设最小流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比速度无变化或速度更慢，所述PC端判断药液滴完，将报警信息发送至医务人员，通知医务人员来换药。

可选地，该基于RFID技术的输液流速监测及控制方法还包括如下步骤：

所述PC端判断药液滴完时，控制所述管壁压缩控制设备，使所述挤压头完全脱离所述第一输液管，使得当前第一输液管未受挤压；即PC端判断药液基本上快滴完的时候，让第一输液管完全放开，所述PC端采集当前时刻的药液流速信息，并且根据当前时刻的药液流速确定报警等级。例如，在完全放开第一输液管后，流速仍然非常慢，说明药液所剩无几，报警等级最高，可以通过音量或者光强、光颜色等来体现高报警等级，在完全放开第一输液管后，流速有所增长，说明药液还有残留，还可以维持一段时间，报警等级可以略低。此时，为了延长滴液时间，可以再次控制管壁压缩控制设备使挤压头挤压第一输液管，适当减慢流速，以等待医务人员来换药。

在实际应用中，首先，医护人员将通气管2、瓶塞穿刺头3、第一输液管软管4与所准备的输液瓶1连接，输液瓶1中的药液经滴斗6、第二输液管软管8流出。其中，管道压缩控制设备5与第一输液管软管4相连，红外反射式光电传感器7与滴斗6相连，阅读器9与USB转串口设备10、PC端11组成数据接收端。

其中，输液瓶1中药液经第一输液软管流入滴斗，经第二输液软管与其他环节到达人体静脉。红外反射式光电传感器半有源电子标签进行流速的监测以及数据的传输，当检测到与所设定值不符时，则进行数据的处理、传输以及相应的后续动作处理。其中，装在滴斗旁边上的红外反射式光电传感器E18-D80NK采集药液的滴速。

此数据经红外反射式光电传感器电子标签中的NRF24LE1发送至阅读器，由第二NRF24LE1模块接收数据，再将数据通过PL2303USB传输至PC端。

当数据处于正常值范围内时，数据传输至PC端做实时记录；而当数据超出设定值范围时，数据传输至PC端，则会记录并发出动作指令，动作指令数据再经第二NRF24LE1模块发送至第二无线射频模块，由第二单片机控制小步距角步进电机旋转带动丝杆传动，压缩或者释放管壁，实现对输液软管药液流速的控制；当检测到滴速为零时，数据传输至PC端并发出报警，通知医护人员或者相关工作者采取相应的措施。

采用了该发明中的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统及方法，具有如下有益效果：

(1)通过利用RFID技术来实现输液瓶内药液输入的闭环系统设计，从而实现对药液流速的实时监测以及控制，从而进一步保障被输液者的人身安全。

(2)进一步，此系统通过将小步距角步进电机与滚珠直线导轨丝杆及自主设计的开口凹槽组合，实现步进电机的旋转运动到丝杆直线运动之间的转换，并且将输液软管放置于自主设计的开口凹槽之中，加上挤压头半圆弧型设计，在降低因为长期动作下造成输液软管的损坏率的同时，又对电机以及丝杆传动机构起到一定保护作用。

(3)此系统成本低、结构简单、能够有效弥补现有输液器的不足之处以及潜在的危险之处。

(4)本发明所采用的RFID技术利用半有源电子标签大大地扩大了数据传输范围以及数据传输过程的稳定性及精确度，使得标签与阅读器之间能够进行远距离的识别以及数据的传输。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，包括通气管、输液瓶、瓶塞穿刺头、第一输液管软管、第二输液管软管、管壁压缩控制设备、滴斗、红外反射式光电传感器、阅读器、USB转串口设备和PC端，所述瓶塞穿刺头分别与所述第一输液管软管和输液瓶相连接，所述第一输液管软管分别与所述通气管和所述滴斗相连接，所述滴斗还与所述第二输液管软管相连接，所述红外反射式光电传感器与所述滴斗相连接，所述USB转串口设备分别与所述阅读器和所述PC端相连接，所述管壁压缩控制设备与所述PC端相连接；

所述红外反射式光电传感器包括第一电源模块、红外反射式光电传感器模块、第一单片机和无线射频模块，所述第一单片机分别与所述红外反射式光电传感器模块和所述无线射频模块相连接，所述第一电源模块分别为所述红外反射式光电传感器模块、第一单片机和无线射频模块供电；

所述管壁压缩控制设备包括外壳以及设置于所述外壳内的第二单片机、信号接收设备、第二电源模块、小步距角步进电机和滚珠直线导轨丝杆，所述第二电源模块分别为所述第二单片机和所述小步距角步进电机供电，所述第二单片机分别与所述小步距角步进电机和所述信号接收设备相连接，所述外壳上开设有开口凹槽，所述第一输液管软管设置于所述开口凹槽中，所述滚珠直线导轨丝杆上设置有挤压部，所述挤压部与所述开口凹槽的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，所述红外反射式光电传感器为红外反射式光电传感器半有源电子标签，所述红外反射式光电传感器模块采用E18-D80NK红外反射式光电传感器。

3.根据权利要求1所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，所述无线射频模块为第一NRF24LE1模块，所述阅读器包括第二NRF24LE1模块；所述USB转串口设备采用PL2303USB芯片。

4.根据权利要求1所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，所述外壳的一内侧壁上开设有所述开口凹槽，所述第二单片机、所述阅读器和所述第二电源模块设置于所述外壳的底面上方，所述外壳套设于所述第一输液管软管的外部。

5.根据权利要求1所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，所述小步距角步进电机为小步距角42HS8401混合式42步进电机。

6.根据权利要求1所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，所述挤压部为挤压杆，所述挤压杆包括半圆弧形挤压头，所述挤压杆垂直于所述外壳的设置有开口凹槽的一内侧壁，且所述挤压部的挤压头正对所述开口凹槽。

7.一种基于RFID技术的输液流速监测及控制方法，其特征在于，基于权利要求1至6中任一项所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，所述方法包括如下步骤：

(1)所述红外反射式光电传感器模块采集所述滴斗处的药液流速信息，并通过所述无线射频模块发送至所述阅读器；

(2)所述阅读器将所述药液流速信息发送至所述PC端；

(3)所述PC端将所述药液流速信息与预设流速范围进行比较，如果所述药液流速信息中的流速大于预设最大流速，则将减速指令发送至所述阅读器，如果所述药液流速信息中的流速小于预设最小流速，则将加速指令发送至所述阅读器；

(4)所述阅读器将所述PC端发送的指令发送至所述第二单片机；

(5)所述第二单片机判断所述PC端发送的指令的类型，如果是减速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第一方向转动，使得所述挤压头进一步靠近所述第一输液管，如果是加速指令，则所述步进电机控制所述丝杆向第二方向转动，使得所述挤压头进一步远离所述第一输液管。

8.根据权利要求7所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，还包括如下步骤：

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息进行比较，如果前一时刻药液流速大于预设最大流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比无变化时，所述PC端判断所述管壁压缩控制设备故障，将报警信息发送至医务人员；

所述PC端接收到所述药液流速信息，并与前一时刻药液流速信息比较，如果前一时刻药液流速小于预设最小流速，且当前药液流速与前一时刻药液流速相比速度无变化或速度更慢，所述PC端判断药液滴完，将报警信息发送至医务人员。

9.根据权利要求8所述的基于RFID技术的输液流速监测及控制系统，其特征在于，还包括如下步骤：

所述PC端判断药液滴完时，控制所述管壁压缩控制设备，使所述挤压头完全脱离所述第一输液管，使得当前第一输液管未受挤压；

所述PC端采集当前时刻的药液流速信息，并且根据当前时刻的药液流速确定报警等级。