无线滴液监测系统

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摘要：
为了解决人工监测输液治疗所存在的问题，缓解医护人员的工作压力，设计了一种基于光电监测技术、无线通信网络技术的无线监测系统。该系统选用TI公司的MSP430F247T单片机、0PA300、CC2420收发模块，由无线监测发送终端、无线接收终端、PC显示应用软件组成的无线监测网络，实现了对多个输液终端的点滴速度、剩余容量、剩余时间的显示以及输液异常自动报警。另外该系统还可应用于化学计量、工业计量等领域，高精度要求的液体滴速测量。本文简单介绍了系统的组成和工作原理，硬件设计及软件设计，并给出了系统的实现电路与波形图。
关键词：输液、无线网络、低功耗、防抖、PC机界面、实时

1.作品简介：
本系统是由一个总接收终端和若干个发射节点构成的无线收发网络。

无线发射终端包括液滴检测模块、信号放大模块、信号处理模块、无线发射模块、显示模块。无线接收终端包括无线接收模块、串行通信模块、报警模块、以及与PC机串口通信模块。可以实现实时测量液滴滴速、PC机实时显示终端输液的基本信息、输液异常自动报警等功能，同时系统可同时监测多个输液滴速，组建无线监测网
医疗应用时，将本系统夹在输液器滴管上，经过数据处理后，所需数据通过发送模块送至终端，并在PC机上显示.当发现滴速过快或者输液药量不够时，将会发出提醒警报，提示医护人员作出相应处理.本系统可以实现对256个甚至更多的病人输液情况的监控.

本系统的主要特点是低功耗、防抖动、无线网络。液滴监测终端由3V纽扣电池供电，平均工作电流为8mA，一节组扣电池完全能保证至少在病人输液的全过程中正常工作；三排光电对管可以防止由于病人晃动输液管导致的液滴漏测现象；可同时对多个终端实现无线监测。

2.方案设计
2.1理论分析
光电对管由水滴上下边缘遮挡可以产生相应的脉冲信号，其他检测系统多有应用，产生的脉冲信号，经比较放大处理产生单片机处理的较规则脉冲，再经单片机处理，可计算滴数，单片机对两滴之间的时间计算可得实时滴速，之后将数据无限发送到接收模块，接收模块通过串口与电脑相连，电脑由串口接受信息，并在相应界面上显示。
2.2器件选择
低功耗低噪声单电源3V供电轨至轨的opa300，满足电源及信号接口要求，也满足整个系统低功耗的要求。
Msp430f247t，功能强大，超低功耗，开发便捷。
CC2420芯片，有相应较成熟的电路模块，开发快捷。

2.3设计方案论证
2.3.1光电管的排列方案
方案之一是在输液管液滴垂直下落的路径上安装了一对光电管来提取液滴的脉冲，这也是一般的做法。如果病人感觉不适可能会晃动滴管，或者其他原因，导致液滴相对的偏离垂直路径，使光电管监测不到液滴。我们用并排的三对光电管覆盖了液滴下落的一个平面，使得输液管晃动时依然可以不漏计液滴。（见图二）

2.3.2光电管供电方案
监测液滴，是因为液滴上下边沿会遮挡光线，经测试，液滴的上下边沿产生的遮挡在20ms左右，理论上给光电管供电的脉冲周期只要低于20ms即可分辨检测出液滴脉冲，所以我们用单片机产生8ms周期方波作为光电管的供电，就可以分辨监测到每一个液滴，同时减少能耗，我们采用占空比50%的方波，近似估算，相对于光电管直流供电，可以减少一半功耗。而且，由于实际输液的滴速不会太快，取监测的最快速度每分钟200滴的上限（安全速度更低），则两滴至少间隔300ms，所以每当监测到一个液滴脉冲后将停止对光电管供电，用此段时间来进行无线通信，同时屏蔽干扰，干扰是因为液滴的上下边沿均可产生遮挡，由此产生的脉冲有的连一起，有的分开，如果不屏蔽则会将分开的两个脉冲分辨为两个液滴。（图三所示）





2.3.3系统供电与相关电路方案
监测发送端架设在输液管上的，所以体积尽量小，重量尽量轻。再考虑到医院的供电情况，纽扣电池为佳。整个发射系统是3v单电源供电。
接收部分采取两种供电方式，2节1.5V干电池和USB供电。USB供电是通过串口引脚经两个二极管串联分压后的电压供电。

TI的msp430f247t单片机由3V单电源供电可以正常工作，而且该单片机功能强大，功耗低，适用于低功耗要求的分布终端组成网络。相应我们用了其相关的无线通信芯片为CC2420无线收发模块。

2.3.4信号采集方案
信号的形式有上跳沿和下跳沿两种。上跳沿信号可以利用同向比较相加对三路光电管脉冲信号进行放大处理。下跳沿信号则需要三路信号相与。对下跳沿信号，液滴遮挡产生一个下跳沿，而另两个未被遮挡的接收管是上跳沿，如果进行比较相加，则会互相抵消，相互影响，不利于后继的信号处理。由于采用的放大器是单电源轨至轨的OPA300，易于实现同向相加，故采用上跳沿的信号形式。



2.3.5放大器的选择
鉴于整个系统是3V单电源供电，并且处理后的信号直接送单片机，放大器应当选择轨至轨单电源供电。0PA300正是高速低噪声轨至轨单电源CMOS运算放大器，尤其满足该系统的低功耗要求。

2.3.6小信号处理
有两个选择方案，其一是三路信号相加然后送至0PA300放大，由于液滴在滴管中晃动时，信号的大小强弱不一，放大倍数难以确定，同时此方案易受外界干扰影响，此外，经过处理后的信号应该是以脉冲的形式直接送至单片机进行进一步处理的，不能出现处于电源电压和地之间的电平，否则单片机易误判；实验发现当液滴经过光电对管时，信噪比较小，但是其电压差在几十毫伏数量级，于是我们采用设定一个在毫伏数量级的基准电压与信号进行比较放大的方案，并且自然光等外界干扰电平一般小于毫伏，故抗外界自然光干扰能力较强，经过开环比较放大电路的小信号只具有高低两种电平，可以与单片机直接相连。

3.系统实现
3.1硬件设计
3.1.1系统框图
系统总体结构框图如图一所示，它是由一个总接收终端和若干个发射节点构成的无线收发网络。
无线发射终端包括液滴检测模块、信号放大模块、信号处理模块、无线发射模块、显示模块。
无线接收终端包括无线接收模块、串行通信模块、报警模块、以及与PC机串口通信模块。（见图五）3.1.2硬件电路

3.1.2.1发射部分
①液滴检测模块



该模块是利用三组光发射接收对管并联排成一列，同时监测液滴，产生各自的上跳沿信号，保证没有漏测的液滴。



② 信号放大模块



三路并联接收管的信号，经过电容和电阻串联组成的线或电路，送至放大器的同相端与基准点压比较；二极管的作用是给电容提供反向充电通路，而阻止电容正向充电时电流直接流向地。
由二极管与变阻器串联小电阻支路并联提供比较放大的基准电压。

③信号处理模块
光对管信号经比较放大后送入单片机的P1.5口产生硬中断，利用单片机程序对信号进行处理，得到需要的滴速和滴数，并经发送模块送出。
液滴滴速的计算：v=60×4096÷TIME（滴/min），其中TIME为单片机定时器A的两液滴间的计数寄存器值，4096为32K晶振8分频后的时钟频率，定时器计数满4096为1秒。

5.性价比评估
为了尽量减少成本，提高性价比，本作品从最初的电路设计到方案选择再到器件选择等方面都做了相应的优化。
在电路设计方面，尽量少用器件，在完成相应功能的基础上尽量使电路简单化；方案选择时，在最优方案和成本之间进行折中，例如在光电对管的数量选择方面，从不漏测液滴角度看，并排放置4对可以彻底消除漏测液滴现象，但是这无疑增加了成本与功耗，而使用3对光电对管基本上不发生漏测液滴现象，并且成本较低；在小信号处理方面也体现了节约成本的思想，为了使经过比较放大后的液滴脉冲维持必要的宽度以屏蔽干扰和保持一定的稳定度，完全可以增加放大器或触发器之类的硬件电路，但是我们把这个任务交给了单片机处理，节约了一些成本；器件选择时，我们所用的器件除了一些必需的之外，在满足低功耗、体积小质量轻等必备条件下，基本上都是市场上相对比较便宜的，考虑到便宜的器件可能在稳定性方面不够理想，我们在单片机程序设计时增加了对信号稳定性的增强等。选用低功耗单片机，供电方式采用节能方式，使电池使用时间相对延长，更方便节约。
本作品在功能方面，实现了对多个输液终端的点滴速度、剩余容量、剩余时间的监测与显示，以及输液异常自动报警，缓解了医护人员的工作压力；并且该设置无需重新布线，是一种安装方便无线监测网络。就其功能与价格来看，这是一件性价比较好系统。

Vera

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