Anxin:基于物联网云平台的输液监控系统设计

罗艺娴，常俊，邹潇晗，曾伟，许广庆

（云南大学信息学院，云南昆明 650500）

目前，我国经济发展快速，但现阶段国内只有少数医院在输液时使用智能系统来优化传统输液方式，大多数医院仍然依靠人工监督输液状态。人工监督方式不但增加了医护人员的工作量，而且也存在独自输液的病人在输液状态异常时不能及时求助等问题。针对这些问题，设计一款基于物联网云平台的输液监控系统——Anxin（取自中文“安心”），医护人员通过远程监控平台能够高效管理病患，病人家属可以通过手机APP 实时监控病人情况，实现了输液系统的自动化和网络化管理。新技术与医疗的结合已经成为社会发展的必然趋势。可移动性强、智能化高的物联网技术在医疗领域的应用给人们展现了一个高效、便捷、可靠的医疗卫生前景[1]。

1 系统方案设计

系统主要针对解决静脉输液中的问题进行智能化设计[2]，如病人在输液时可能处于无意识状态，无力通知护士来关闭输液系统，以及输液过程中病人出现跑针、过敏和体征危机反应等危险现象无法及时通知医生护士和家属，从而导致医生、护士和家属有效监护困难，医生治疗反馈滞后等问题。

1.1 系统方案

系统总体设计方案主要由3 部分组成：下位机是以STM32F103ZET6 为核心的主控板[3]，在其上集成ESP8266 WiFi模块、HMI串口液晶触摸屏模块、HX711压力传感器、Eixpsy 槽型光耦传感器、MG996R 金属舵机和蜂鸣器，上位机为PC 端的网页和手机端的APP。下位机通过ESP8266 WiFi 模块连接至阿里云平台后，使用MQTT 协议与上位机进行通信。系统方案框图如图1 所示。

图1 系统方案框图

1.2 系统功能与指标

系统工作流程如下：

病人进行静脉输液时，下位机上Eixpsy 槽型光耦传感器采集实时滴速数据，压力传感器采集实时余量，在HMI 显示屏上显示；MG996R 金属舵机控制当前输液的通断；蜂鸣器提供警报功能，当输液状态发生异常时，主控板向蜂鸣器发送指令，使蜂鸣器警报发出提醒，同时给舵机发指令使其阻断输液过程；主控板上的ESP8266 WiFi 模块将实时的滴速数据、余量信息和输液状态的信息发送到云平台，云平台再通过MQTT 协议下发至手机端和PC 端。

病人家属可以通过手机端了解病人的输液状态及实时定位信息，而病人本身可以通过手机APP 对自身的输液状态进行查看，也可通过按键对输液进行开关控制[4]。

医护人员通过PC 端可实时检测到每个科室所有病床病人[5]当前的剩余药液容量、当前实时滴速、预计输液时间；同时还可以看到床位的空缺情况，方便医护人员安排病人进行输液，当某病床出现异常时，PC 端也能提醒医护人员[6]。

2 系统硬件介绍

系统硬件以STM32F103ZET6为核心形成主要的控制系统，附加蜂鸣器模块、舵机控制模块、ESP8266 WiFi 模块、HX711 压力传感器、Eixpsy 槽型光耦传感器等。

2.1 STM32F103ZET6嵌入式主控板

STM32F103ZET6嵌入式主控板搭载芯片STM32，有144 引脚，容量大，芯片内嵌资源丰富[7-8]，其I/O 口除启动引脚外都引出，下载、串口调试、通信三合一，便于连接智能输液监控系统所需要的传感器模块。

2.2 Eixpsy槽型光耦传感器

Eixpsy 槽型光耦传感器在有遮挡时输出高电平，此时灯灭；无遮挡输出低电平，此时灯亮。通过Eixpsy 槽型光耦传感器可以检测当前输液液滴的滴速以及当前输液是否正常工作。

2.3 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块内部带震荡源，只要通电即可鸣叫。当I/O 口输入高电平时，蜂鸣器鸣叫发出警报，也可在输液状态异常时发出警报。

2.4 ESP8266 WiFi模块

NodeMCU 开发板板载天线支持完整的TCP/IP协议栈。文中系统可以使用该模块为现有的输液设备添加联网功能，并使其接入阿里云，完成软硬件数据的交互。

2.5 HMI串口液晶触摸屏模块

HMI 串口液晶触摸屏可以作为LCD 显示屏，显示患者当前的输液信息，以便患者和家属了解当前的输液状态。

2.6 HX711压力传感器

HX711 是一款高精度称重传感器芯片[9]，芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件，HX711 压力传感器可以简单有效地测量当前输液瓶中的余量，并且及时上传数据。

2.7 MG996R金属舵机

舵机的控制需要一个20 ms 左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5～2.5 ms 范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2 ms，通过PWM 的方式来控制舵机的旋转角度，比如舵机旋转180°将输液开关关闭，控制输液的状态，舵机旋转60°将输液的滚轮往下滑从而控制输液滴速[10]。

3 系统软件设计

3.1 下位机的程序设计

系统以STM32单片机为核心，在系统中连接WiFi、压力传感器、HMI 触摸屏、测速、舵机等模块，软件设计部分具体可以分为控制信号的收发、单片机的控制、与云端信息交互和输液信息的显示4 部分。当WiFi、压力传感器等模块初始化完毕后开始进入整个系统的运作。系统的输液状态检测设置由压力传感器、测速模块完成，压力传感器不断地获取输液余量，测速模块不断测量输液速度；而控制信号的收发主要是控制舵机、输液速度以及蜂鸣器的工作状态。输液状态的显示使用串口收发完成，利用串口的外部中断向HMI 触摸屏发送实时数据，同时接收HMI 触摸屏发送至主控系统的控制指令，实现人机交互。下位机通过WiFi 模块实现与阿里云平台的实时数据交互，进而将数据传至上位机。下位机程序设计图2 所示。

图2 下位机程序设计图

3.2 上位机软件设计

3.2.1 手机APP的设计

手机APP使用Andriod studio软件进行开发设计[11]，并使用了MobTech 数据智能开发平台、阿里云平台、数据库技术等技术手段。数据库采用MySQL 数据库，用户信息等存储在数据库中。利用安卓开发的四大组件[12]编写出具有网络连接等功能的Anxin 手机端。功能模块分为用户管理、任务管理和注意事项三大模块，具体为实现用户注册登录、通过按键控制输液、实时显示输液的各项信息、对输液速度不当作出预警提示等功能。Anxin 手机端功能模块设计如图3 所示。

图3 Anxin手机端功能模块设计

3.2.2 PC端软件设计

PC 端软件设计主要包括主控制系统、警报模块和数据显示模块的设计。当用户进入系统后，界面显示当前时间各个病人的输液状态等信息。下位机对病人各项数据进行收集，通过MQTT 协议向云端上传数据，PC 端访问数据后呈现给医护人员，当病人各项数据发生异常时，PC 端就会收到消息，发出警鸣提醒医护人员采取措施。PC 端软件设计图如图4 所示。

图4 PC端软件设计图

3.2.3 Web可视化界面设计

文中采用阿里云的IOT Studio 来进行界面功能设计[13]，IOT Studio 是阿里云针对物联网场景提供的生产力工具，用户无需编写代码，只需要将组件从编辑器里拖动到指定位置，再对组件样式、数据源和交互方式进行配置，以快速完成设备数据监控相关的Web 应用。开发完成的Web 应用可以直接在阿里云服务器上托管运行。

3.2.4 MQTT协议

MQTT 协议用于完成数据传输，各个传感器检测到数据后，下位机通过MQTT 协议上传数据。MQTT 是基于TCP/IP 连接并基于发布/订阅模式下的通信协议[14]。此外，MQTT 基于异步发布/订阅的实现解耦消息发布者和订阅者，基于二进制的实现节省了存储空间及流量。同时，MQTT 拥有更好的消息处理机制，相对于HTTP 和XMPP，MQTT 可以选择用户数据格式，解析复杂度低，同时MQTT 也可用于手机推送等领域。

4 系统测试

该测试主要针对系统中的主要模块进行检测，以保证系统能够有效运行。测试设备为装有Keil5的PC 机、安卓手机、串口调试助手、阿里云云端数据库、220 V/5 V 电源。

4.1 主要硬件模块测试

4.1.1 输液状态检测

1）输液余量检测：在初始化完成后获取称重模块经HX711 转换后的电信号，并将数值上传至串口调试助手以备调试使用；得到的数据再经过人为标定和转换后得到以毫克为单位的数据，即为最终使用数据。

2）输液速度检测：在初始化完成后可实时获取测量到的电信号，有遮挡为1，无遮挡为0，并由此配合定时器的时钟信号，检测两滴液滴的时间差，进而推算输液速度。测量的数据和经过处理的数据均上传至串口调试助手进行记录和调试。

4.1.2 控制信号检测

1）按钮控制信号检测：按钮输入信号为数字信号，即0 和1，根据数字信号检测按钮输入的信号并执行相应操作，按下一次执行一次，用LED 灯的亮灭反映按钮控制的结果，并进行调试，调试没问题后改为按钮控制舵机和蜂鸣器，说明已达到最终控制效果。

2）HMI 触摸屏控制信号检测：HMI 触摸屏发送数据经过串口，因此直接将数据再上传至串口调试助手，得到每一次HMI 触摸屏传回主控板的数据，经过数据处理后得到相应控制指令，并用LED 灯的亮灭反映控制的结果，由此进行调试，调试无误后改为HMI 控制舵机和蜂鸣器，说明已达到最终控制效果。

4.1.3 ESP8266 WiFi模块同云端通信检测

ESP8266 WiFi 模块同云端相连后，进行数据调试，将交互的数据均上传至串口调试助手，分析数据发送和接收的正确性以及数据传输的准确性[15]，并同时和各模块检测到的数据进行对比，判断云端数据和实际数据是否有误差，更改定时器分频率后多次试验，由此达到最终实际应用效果。

4.1.4 舵机控制测试

通过设计定时器PWM 模式，并通过按钮实际控制舵机的转动情况，保证舵机转动力度和角度的准确性，进而达到用舵机控制输液器调速装置，实现输液速度的控制。

4.2 手机端APP主要功能测试

4.2.1 手机端用户管理功能测试

对手机APP 进行用户注册、登录、修改资料、用户修改头像、退出当前登录用户等功能进行测试，并对用户管理的容错性进行测试[16]，比如注册时两次输入设定的密码不同、输入的注册手机号格式不正确等状况，APP 应进行相应提示。还要对链接的MySQL 数据库的有效性进行验证，在注册成功、修改资料等情况时，查看数据库是否发生相应变化[17]。

4.2.2 手机端定位功能测试

对病人手机APP 的定位功能进行测试。当开启病人手机定位服务时，查看家属手机APP 端以及护士站PC 端可以获取到该病人的实时定位。

4.2.3 手机端数据上云，云数据下发至下位机测试

在病人手机APP中设置病人的年龄以及疾病，观察云平台中是否成功获取到正确的数据，并根据获取的数据进行分析，下发最适合的输液滴速范围给下位机主控板，主控板再根据当前滴速是否处于合适的输液滴速范围来决定是否对输液速度进行调整，若处于范围内则不作调整，否则调整至合适范围内。

5 结束语

文中主要完成了系统的硬件模块搭建、软件系统设计，并对系统进行了测试。最终Anxin 实现了医护人员、病人及其家属对输液的智能化监控，提升了医护人员的看护效率以及输液治疗过程的安全性，让病人、家属、医生人员更加安心、放心。通过多次测试，验证了系统的稳定性和可靠性。随着物联网行业的不断发展，该系统还有待进一步完善和升级，可将原系统进一步发展为更丰富的监控系统。