基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统

广东技术师范学院自动化学院 蔡谷奇 庄鑫财 曾奕秋 周 钊 周文波 吴培延 朱德海

1 引言

我国是人口大国，医疗问题一直是社会关注的重点。在现在医院的住院模式中，护士需要用不同的测量工具分别定时测量患者的体温、心率、血氧等体征数据并手动记录这些体征数据，测量时间长，工作量大。同时，医生查阅患者历史体征数据的过程也较为繁杂。在病患输液过程中，由于不同的药物要求不同的药液注入速率，护士凭借自己的经验去调节调节器，而手动调节调节器偶然误差较大。另外在输液结束时，监护人员需要及时通知医护人员拔针或换瓶，容易造成医疗事故。尤其在输液高峰期，护士因工作量大，而容易输错药液。

针对传统人工输液系统和传统人工体征检测系统人力物力耗费大、安全度较低、输液结束处理不及时等缺点，我们设计了一种基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统。在今日这个科技高速发展的时代，无论是医院建设的现代化还是细及医疗设备的智能化及网络化都应对现代临床医学的进步起到带动作用。但就目前而言，功能较完整，性价比又比较高的智能输液及体征实时监控系统却仍未出现。

2 智能输液及体征实时监控系统的设计

2.1 智能输液及体征实时监控系统的总体设计

基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统由智能输液设备、多功能体征检测设备、和终端监控系统3部分组成，其中，智能输液设备和多功能体征检测设备通过串口将数据传给NB-IoT模块NB73，NB-IoT模块再通过基站的远程通信方式将数据传输到终端监控系统。智能输液及体征实时监控系统的总体结构如图1所示。

图1 基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统的整体框图Fig.1 The overall block diagram of intelligent infusion and sign real-time monitoring system based on narrow-band Internet of things

2.2 智能输液设备的设计

智能输液设备的结构如图2所示：

（1）每个输液瓶上都附带有相对应二维码，记录着药品的具体信息，包括名称、体积密度等，通过扫码与患者药方进行匹配，防止输错药液造成安全事故。

（2）输液过程中，应变片电桥与AD转换芯片AH711构成的重量传感器可实时检测出药瓶的重量并结合二维码的信息换算出药液的剩余量；在输液即将结束时，通过窄带物联网的远程通讯方式通知终端的监控系统的护士前来处理。

（3）另外，置于茂菲氏滴管两侧的红外线对管时刻监控着滴液速度，并自带滴速异常识别功能，而且可将相关数据通过窄带物联网的远程通讯方式传输至终端监控系统处理与存储，并且护士可远程控制患者的输液速度。

（4）自主设计的机械结构采用了精度高且稳定可靠的数字舵机驱动凸轮，碾压输液管改变输液管截面积以达到精准控制滴液速度的目的；同时，在输液结束的时候可自动并且及时地紧压输液管，防止病患血液倒流。

（5）滴速控制器公式：

其中，

output：控制器输出量

ds：设定滴速

dt：当前滴速

angle：舵机角度

s1、s2：状态量，快速启动时：s1=1、s2=0；细调时：s1=0、s2=1。

图2 智能输液设备的结构框图Fig 2 Frame diagram of intelligent infusion equipment

图3 多功能体征检测设备的框图Fig 3 Block diagram of functional physical sign testing equipment

2.3 多功能体征检测设备的设计

多功能体征检测设备的结构和界面分别如图3和如图4所示，多功能体征检测设备首先能对患者进行选择，以便将检测的数据传到终端存储在对应患者的数据库中；选择对应的患者之后，在输液之前可以用扫码摄像头扫描药瓶的二维码进行药液匹配；输液过程也可以通过图4的第三个界面对对应患者的输液目标滴速进行设定。在体征检测过程则可通过体温传感器、心率血氧传感器分别检测患者的额头的体表体温和指尖的心率血氧，并将检测的数据通过窄带物联网通信传到终端数据库。

图4 多功能体征检测设备的界面图Fig 4 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

体温检测方面，采用红外热电堆探测器MLX90615，信号处理器计算出的高精度温度可通过串行两线SMBus兼容协议获得或是器件的10位PWM格式获得，采用MLX90615热电堆测量额心表面温度，临床数据表示，环境温度在23℃时，额部正常温度为33～34℃，通过实验比对，得出正常体温与额温换算如下：

额温（℃） 33.0 33.2 33.4 33.6 33.8 34

图5 正常人一天体温折线图Fig 5 Normal person’s temperature fold line for one day

图6 正常人一天心率折线图Fig 6 One day heart rate line chart for normal people

使用多功能体征检测设备测得正常人一天内体温折线图如图5所示。

心率检测部分采用MAX30102，MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED、一个红外光LED、光电检测器、光器件和带环境光抑制的低噪声电子电路。通过物理方法固定在手指上后，体内由于动脉搏动充血引起的容积变化会导致光束透光率变化，此时，由光电变换器接受经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大输出，由此计算得出的电信号变化周期即为脉搏率。实验得出心率曲线图如图6所示。

血氧传感器由两个分别发出660纳米和940纳米的发光二极管组成，根据不同含氧量的血红蛋白对这两种波长的吸收率差别很大，通过比尔兰伯特定律，R/RI与血氧饱和度成线性关系。实验得出血氧折线图如图7所示。

图7 正常人一天血氧折线图Fig 7 One day oxygen folding map of normal people

2.4 终端监控系统的设计

实时监控着患者输液时滴速和剩余量的变化，在输液结束的提醒护士输液结束并及时处理；同时，可以查询患者的历史体温、心率、血氧的体征信息。

图8 终端监控系统的界面图Fig 8 interface diagram of terminal monitoring system

3 窄带物联网

3.1 NB-IoT技术概述

作为一项新兴的低速率传输技术，NB-IoT构建于移动网络中的蜂窝结构，只消耗约180KHz的带宽，可直接部署在GSM移动通信系统、UMTS网络或者LTE网络上，拥有RS232和RS485接口、5路I/O接口，支持透明数据传输，并且内嵌有标准的TCP/IP协议栈，可根据域名和IP地址访问中心，同时也支持TCP心跳链路检测，保持设备永远在线。在低速率物联领域中具有以下优势：

a.高覆盖范围：为了进一步利用网络系统的信号覆盖能力，NB-IoT引入PTW（寻呼传输窗），允许网络在一个PTW内多次寻呼UE，并根据覆盖等级调整寻呼次数。正常覆盖等级的覆盖范围与GPRS相似，但GPRS的通信需要铺设天线等设备维持发射强度，而NB-IoT只要部署得当，就可以正常工作。

b.低功耗：低功耗特性是物联网应用一项重要指标，与物联网应用中其他常用手段相比，本项目应用窄带物联网进行实时无线联网应用。

c.低成本：与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NBIoT的同时部署。单个通讯模块成本为30块左右。

d.链接能力强：NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数，一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。

3.2 输液系统中物联网的应用

在该系统中，终端、便携端分别配有红外传感器、应变片、心率血氧传感器、摄像头等传感器，可以检测输液情况、测量病患体征以及识别药液种类，通过采用STM32F103ZET6作为各个终端端处理器作系统内的数据统筹处理。然后，终端处理器分别配备NB-IoT设备，由轻量级云透传平台完成LPWA链接，通过网络网关将数据上传到云上的服务器。在单套输液系统中，以监控平台为中心，采用1：N透传即集散模式通信，方便系统内部数据保密和数据处理打包。而在系统与系统间，使用N：N的群聊模式透传，采用类似于HTTP的应用层协议CoAP协议通信，构成“多跳型网状网（multi-hop mesh）”，实现无边缘的移动物联网络。

图9 智能输液设备实物图Fig 9 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

图10 多功能体征检测设备的界面图Fig 10 Interface diagram of functional physical sign detection equipment

图11 智能输液设备实物图Fig 11 The physical drawings of the intelligent infusion equipment

4 结论

基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统的实物如图8-11，其中智能输液设备实物图如图9和图11所示，多功能体征检测设备如图10所示，而终端监控系统如图8所示。

智能输液系统采用物联网传感技术和窄带无线通信技术，实现了自动控制输液速度、集中监控患者输液情况、输液完成自动停止并提醒等实时监控功能。应用该系统能减轻医护人员的工作强度、缓解患者及家属输液过程中的焦虑，是输液管理及临床护理模式上的一次变革。对比同类型产品的结果表明：本系统具有结构简单、环境要求低、功能更加齐全等优点，满足实际临床上的大部分需求。

同时对智能化发展趋势而言，物联网时代正在到来。物联网将会领导各行各业的商业模式、改变人们的日常生活方式。移动物联网将是将来5G的一大重要组成部分。输液系统使用基于窄带物联网的无线通信技术，在满足本身对链接个数、通讯范围等的要求时，更是契合了LTE窄带移动物联网技术的发展，在可预期的“窄带5G（Narrowband 5G）”等技术上能更快地进行更新升级。