CN108671324A - 一种基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗信息管理领域，公开了一种基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，包括输液信息采集单元，ZigBee无线传输单元，监测平台。输液信息采集单元包括菲涅尔透镜、反射式红外光电传感器、电信号整形模块、数据处理模块。ZigBee无线传输单元采用星型拓扑结构组网模型。本发明通过输液信息采集单元采集输液信息，将输液信息通过ZigBee无线传输单元实时传输到监测平台，在人机交互界面实时显示输液信息，并以语音播报的方式对异常情况报警。本发明利用基于菲涅尔透镜的监测方案和ZigBee自组网无线通信方案分别有效地提高了监测装置的防抖性能，信息传输的稳定性，提供一种监测精度高、防抖性能好、功耗低、实时显示输液信息、具有报警功能的智能监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及智能医疗设备技术领域，具体涉及一种基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统。
背景技术
静脉输液是临床医学上最常见的医疗手段，传统的输液过程中，医护人员往往需要定时巡视病床或者通过家属通报给护士输液信息，使得护士没有办法统筹安排时间导致护士工作效率极其低下，病患也不能及时得到相应的医护处理；而且在输液过程中，护士及其病人无法准确得到点滴滴速信息，导致点滴滴速设置不当或者在输液过程中滴速出现异常，病人都不能及时的得到护士的处理。目前，市场上已经出现了一些对输液进行监测的电子设备，但是，现有的监测设备存在如下缺点: (1)一部分设备属于单机设备，无法联网，只能在本地提醒病人，无法远程监测和提醒护士输液情况；(2)由于输液过程较为漫长，病人翻身等动作会造成输液管抖动，使得监测数据不可靠或者无法检测；(3)传统的无线通信方式，如WIFI、蓝牙，存在稳定性差、误包率高、最大连接点少的缺点，无法满足医院病床数多、医院建筑结构复杂的情况；(4)现有的终端监测设备如基于重力传感器的输液监测设备，价格昂贵，无法普及。
发明内容
针对上面的问题，急需一个通信稳定性好、精确度高、防抖动、价格低廉、易于安装，可以实时监测和传输多个输液袋的输液信息的智能输液监测系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，包括输液信息采集单元，ZigBee无线传输单元，监测平台。
所述的输液信息采集单元包括菲涅尔透镜、反射式红外光电传感器、电信号整形模块和数据处理模块。
所述反射式红外光电传感器包括发射管和接收管，菲涅尔透镜对位于其1倍焦距以内的发射管发射的红外光有发散作用，其发散程度随着反射式红外光电传感器与菲涅尔透镜的距离减小而变大，通过减小其距离可以扩大反射式红外光电传感器的探测范围。
进一步的，所述菲涅尔透镜材质具有对于红外波段透过率高，其他波段透过率低的特点；所述反射式红外光电传感器夹具为黑色，避免周围杂散光的影响，扩大了探测距离。
所述反射式红外光电传感器用于监测下落液滴。当液滴下落时，接收管接收到反射光，输出较高的模拟电压信号；当无液滴下落时，接收管没有接收到反射光，接收管输出较低的模拟电压信号。
所述电信号整形模块对反射式红外光电传感器输出的模拟电压信号进行放大和差分整形处理。当电信号整形模块接收到反射式红外光电传感器输出的较低模拟电压信号，输出“0”的数字信号；当电信号整形模块接收到反射式红外光电传感器输出的高电平的模拟信号时，电信号整形模块输出“1”的数字信号，即电信号整形模块输出为TTL脉冲信号。
所述数据处理模块，利用单片机I/O口外部中断监测TTL脉冲信号，并统计TTL脉冲信号的高电平“1”的次数实现对下落液滴滴数的采集；进一步，在一定的时间间隔内统计脉冲个数，计算点滴滴速；利用公式，输液剩余时间=（总输液体积-下落滴数/滴系数）/滴速，计算剩余输液时间。
所述的ZigBee无线传输单元用于实时稳定传输多个输液信息采集单元采集的输液信息到监测平台。
所述的监测平台包括护士站PC机、LED显示屏、手持PAD，监测平台可以实时显示输液信息采集单元监测的输液信息。当输液信息采集单元监测到异常情况时，监测平台会进行语音报警。
综上，与现有的技术相比，本发明提供了一个通信稳定性好、监测精度高、防抖性能好、价格低廉，可以实时监测和传输多个输液袋的输液信息的输液监测系统。本发明的有益效果如下：(1) 输液余量和滴速监测精度都到达较高水平，实现了精准监测；(2) 在输液管抖动的情况下,也能准确监测其输液信息，能够应对各种复杂的输液环境；(3)ZigBee无线网络能够实时稳定传输多张病床的输液信息，适合应用于中大型医院；(4)成本低廉，安装简单，与现有医院的基本设施兼容，易于推广。
附图说明
图1示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统的模块图；
图2示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统中信号传输流程图；
图3示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统中输液采集单元结构原理图。
图4示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统中菲涅尔透镜结构原理图。
具体实施方式
为了更加清楚明白地阐述本发明的目的、技术方案及优点，对本发明将结合附图进一步详细说明。但是，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1，示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统模块图，包括：输液信息采集单元110、ZigBee无线传输单元120、监测平台130；输液信息采集单元110与ZigBee无线传输单元120相连，输液信息采集单元110将采集的输液信息传输到ZigBee无线传输单元120；监测平台130与ZigBee无线传输单元120相连，ZigBee无线传输单元120将输液信息传入到监测平台130；监测平台130显示和对异常情况报警。
进一步，监测平台130属于用户交互部分，包括手持PAD131、LED显示屏132、护士站PC机133。护士在输液采集单元110设置滴系数、输液液体总体积、点滴滴速的正常范围，设置完成后，输液信息采集单元110将进行实时监测点滴滴速以及计算输液剩余时间，通过ZigBee无线单元120将输液信息传输到监测平台130。以护士站PC机133为例，在护士站PC机133界面上，以病房为单元，对每个输液信息采集单元发送的输液信息进行分组式管理，其中曲线图用来记录历史点滴滴速情况，实时刷新，柱形图用来实时显示剩余输液时间，柱形图的三种颜色“绿”、“黄”、“红”分别代表剩余输液时间“充足”、“不足”、“严重不足”；当遇到异常情况时，护士站PC机133立刻对异常情况通过语音播报的方式提醒护士及时处理，而且在报警显示界面显示异常情况，如：“内科101号病房1号病床剩余输液时间为5min、滴速为80滴/min，输液时间严重不足”、“外科102号病房2号病床剩余输液时间为50min、滴速为200滴/min，滴速异常”等。
如图2，示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统的信号传输流程图。所述的ZigBee无线传输单元120包括多个ZigBee输液信息发送终端220、多个路由器230和网关240。根据实测，ZigBee无线传输单元120是以CC2530芯片为核心，通过软件程序将CC2530芯片配置为ZigBee信息发送终端220、路由器230、网关240；输液采集单元110与ZigBee输液信息发送终端220相连，将输液信息传输到ZigBee输液信息发送终端220；多个ZigBee输液信息发送终端220与多个路由器230相连，网关240负责建立网络； ZigBee网络具有自组织特点，即使网络中某一个路由器230无法工作，多个路由器230通过竞争，输液信息发射终端220连接到ZigBee无线网络链路中稳定性最好的路由器230，将输液信息通过路由器230传输至网关240；无线网关240与监测平台130相连，用于将输液信息传输到监测平台130。
进一步的，所述ZigBee无线传输单元120采用星型组网模型，采用频段2.4GHz的ZigBee无线通信；一个路由器230可以同时传输多个输液信息采集单元110采集的输液信息，所有的ZigBee输液信息发送终端220都处于被监听状态；根据实测，系统最多可以同时稳定地监测183个输液采集单元110的输液信息，其更新输液时间为5s。实时性、稳定性和监测床位容量完全满足医院实际情况要求。结合医院病房的分布结构，终端节点的无线信号可能会因为距离超出范围或者是多道墙的阻隔，导致数据的丢失。因此本系统在各病房门口的走廊过道处设置有路由器230，用于中转病床ZigBee信息发送终端220和无线网关240之间的信息，从而解决了无线信号绕墙传输的问题，进一步保证了系统的可靠性。
如图3，示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统的输液信息采集单元的结构原理图。
所述输液信息采集单元110包括基于菲涅尔透镜310，反射式红外光电传感器320，电信号整形模块330，数据处理模块340；菲涅尔透镜310用于提高反射式红外光电传感器320的探测范围；反射式红外光电传感器320位于菲涅尔透镜310的一倍焦距内，用于发射红外光并和将接收到的反射光转换为电信号；电信号整形模块330与反射式红外光电传感器320相连，用于将电信号整形为可用于单片机处理的TTL脉冲信号；数据处理模块340和电信号整形模块330相连，接收TTL脉冲信号用于实时监测点滴滴速和计算剩余输液时间。
所述反射式光电传感器320是一种集发射器321和接收器322于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将反射式光电传感器320的发射管321发射的足够量的光线反射到接收管322，反射式光电传感器320的接收管的电位发生改变，时序上产生TTL脉冲信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。
所述数据处理模块340，通过按键设置病床号、输液总液体体积、滴系数；利用I/O口外部中断监测TTL脉冲信号，并统计TTL脉冲信号的高电平“1”的次数实现对下落液滴滴数的采集；利用定时器在一定的时间间隔内统计脉冲个数，计算点滴滴速；利用公式，输液剩余时间=（总输液体积-下落滴数/滴系数）/滴速，计算剩余输液时间。根据实测，是以STM32芯片为核心的输液采集单元监测的点滴滴速误差在 ±2滴/min和预计的剩余输液时间误差在±1min。
图4，示出了基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统的菲涅尔透镜结构原理图，（a）为侧视图，（b）为俯视图。
所述菲涅尔透镜310结构原理图，（a）为侧视图，（b）为俯视图，呈现明暗相见的条纹。根据实测，菲涅尔透镜310焦距为5.1mm，直径为13mm；反射式光电传感器320位于菲涅尔透镜310后1/5焦距处，探测范围最大；在这种情况下，发射管发出的红外线经过菲涅尔透镜310扩大其发散角为103°，经过下落液滴反射的红外光通过菲涅尔透镜310进行聚焦，将反射式红外光电传感器的探测范围扩大到了100°；采用菲涅尔透镜310的输液监测传感器即使抖动角达到75°，也能够准确监测到下落液滴，因此采用菲涅尔透镜310的输液监测具有很好的防抖效果。
本发明应用于临床输液领域，将采集、无线传输、显示、预警提示等各个环节串联起来形成了一套极其完备的智能输液监测系统，与目前市场上的输液监测系统相比，其优点有：(1) 输液余量和滴速的监测精度都远高于传统的输液监测系统，实现了高精度监测；(2)在输液管抖动的情况下,也能实时准确监测其输液信息，提高了防抖性能，能够应对各种复杂的输液环境；(3)ZigBee无线网络能够同时稳定传输多张病床的输液信息，适合应用于中大型医院；(4)成本低廉，安装简单，与现有医院的基本设施兼容，易于推广。
以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.在一种基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征至少包括：输液信息采集单元、ZigBee无线传输单元、监测平台；输液信息采集单元与ZigBee无线传输单元相连，监测平台与ZigBee无线传输单元相连；
所述的输液信息采集单元包括菲涅尔透镜、反射式红外光电传感器、电信号整形模块、数据处理模块；菲涅尔透镜用于提高反射式红外光电传感器的探测范围；反射式红外光电传感器位于菲涅尔透镜一倍焦距以内，用于将光信号变为电信号；电信号整形模块与反射式红外光电传感器相连，用于将电信号整形为可用于数据处理模块处理的TTL脉冲信号；数据处理模块和电信号整形模块相连，用于监测点滴实时滴速和计算剩余输液时间；
所述的ZigBee无线传输单元包括ZigBee输液信息发送终端、路由器和网关；ZigBee输液信息发射终端与路由器相连，将输液信息实时传输到路由器，网关分别与路由器和监测平台相连，将输液信息传输到监测平台；监测平台显示输液信息和进行语音报警；
所述的输液信息包括总输液体积、已输液液体体积、剩余输液时间、病床号、滴系数、实际点滴滴速、点滴滴速安全范围；其中总输液体积、病床号、滴系数、点滴滴速安全范围为护士在输液采集单元上手动设置；点滴滴速和已输液液体体积由输液采集单元监测得到；剩余输液时间由输液采集单元计算得到；
所述的异常情况包括输液剩余时间不足、点滴滴速异常、联网异常，电源电量不足；输液剩余时间不足和点滴滴速异常属于业务报警；联网异常和电源电量不足属于硬件报警。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征在于：所述菲涅尔透镜仅对红外光有高透性，菲涅尔透镜对反射式红外光电传感器发射的红外光在一倍焦距内有发散作用，其发散程度随着反射式红外光电传感器与菲涅尔透镜的距离变化而变化，使得反射式红外光电传感器的探测范围发生改变；所述反射式红外光电传感器夹具为黑色，扩大了探测距离。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征在于：所述电信号整形模块对反射式红外光电传感器输出的模拟电信号进行整形，当无液滴落下，没有反射光时，电信号整形模块接收到反射式红外光电传感器输出的较低电压的模拟信号，输出低电平数字信号；当液滴下落时，电信号整形模块接收到反射式红外光电传感器输出的较高电压的模拟信号，输出高电平数字信号，即电信号整形模块的输出在时域上表现为TTL脉冲信号。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征在于：所述数据处理模块，以单片机为核心通过I/O口外部中断监测输入的TTL脉冲信号，并统计TTL脉冲信号的高电平的次数实现对下落液滴滴数的采集，从而进一步计算当前滴速以及剩余输液时间。
5.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征在于：所述无线传输模块，采用频段为2.4GHz的ZigBee无线通信，其组网拓扑结构为星型。
6.根据权利要求1所述的基于ZigBee无线通信的防抖实时输液监测系统，其特征在于：所述监测平台包括护士站的PC机、LED显示屏、手持PAD；监测平台实时显示输液信息，并以语音播报的方式对异常情况报警。
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