基于ZigBee技术的输液监测系统设计

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The design of a system of infusion monitoring based on ZigBeeYU Xuefei， HE Jianwei， LI Zhe(School of Biomedical Engineering of Southern Medical University，Guangzhou，510515，China)[Abstract] This paper designed of a system of infusion detection that multi-function and low powerconsumption which used MSP430F149 and CC2530 as its core，the detection part used infrared techrmlo-gY to measure liquid drop，and the interference from light around was reduced using the modulation de-modulation method，used frequency discriminating circuit and wave shaping circuit to improve the sys-temS sensibility and stability，the system also can give a surplus fluid amount and a sound-light alarmautomatically.Meanwhile，transmitted the information to personal computer of workstation by ZigBee netwhich used CC2530 as its core，SO doctors and nurse can know the muhidate inform ation of infusion at alltimes，it can reduce the personnel consumption and it also convenient to manage.The whole system wasdealt with low power consumption，and consumption was minimum，it can work in 3 V by dry bater。

[Key words] MSP430F149； CC2530F256； ZigBee net； low power consumption； Infrared prin-ciple； Infusion detection； personal computer据不完全统计，2010年中国输液总数达到 104亿瓶，大部分医院在进行静脉输液治疗时，都是通过人眼观察来调整输液速度，并需要陪护人员时时观察输液情况，这就需要花费大量的人力物力，且可能在有输液异常、结束等情况时不能及时发现，这些因素都会造成医疗事故的发生.目前市场上存在-些监测输液的装置，像输液泵、称重式、液面式等，但都存在着-些不足，输液泵较贵，液面式要求输液瓶要平放等等.本研究提出的基于 ZigBee(-种低速短距离传输的无线网络协议)技术的输液监测系统，[收稿日期] 2012-09-06[基金项目] 广东势技计划项目(2011B031800087)；广州市科技计划项 目(2010J r E361)[作者简介] 余学飞(1965-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：智能医学仅器设计通信作者：李 士士(1966-)，男，副教授，主要研究方向：智能医学仪器设计52 暨南大学学报(自然科学版) 第 34卷能对输液状态进行实时监测，并通过 ZigBee网络将实时监测到的信息传送到医护人员的工作站，不需要陪护人员现场观察，医护人员在办公室就能对各个病人的输液情况进行了解，减少了人员消耗，同时也便于管理.整个装置既轻巧又便宜，能适合大多数医院使用。

1 系统组成框架1.1 系统电路结构图 1所示框图包括了整个系统主要的3部分，分别为液滴检测部分；MSP430单片机及外围电路部分；ZigBee无线传输部分。

图 l 系统硬件电路框图Fig.1 The system of hardware circuit diagraml协调器系统应用层程序功能框图l上位机串口液滴检测部分主要是利用光电对管来实现，经过调制的光源驱动发光二极管发光，产生的光束透过滴管到达光敏三极管的感光面，然后通过比较电路、鉴频电路、整形电路等，得到对应的脉冲信号，将脉冲信号送入到 MSP430中进行计数.MCU及外围电路主要包括键盘电路：用来设定输液的初始值及在紧急情况下能够报警；数码管电路：显示输液的初始值及输液剩余量；蜂鸣器及 LED电路：实现声光报警.MSP430检测到的信号通过串口传送到ZigBee网络的终端设备，终端设备与协调器之间通过 2.4GHz的射频信号进行数据传输.ZigBee是-组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，以CC2530为核心，主要工作在2.4 GHz的频段，具有低功耗、低复杂性、高安全性、保密性强等特点。

1.2 ZigBee传输框架如图2所示，ZigBee间的数据传输主要是在终端节点与协调器之问的传输，将 MSP430采集到的信号通过串口传输到 ZigBee的主芯片 CC2530，此节点作为终端节点，与 Pc机连接的ZigBee拈作为协调器.终端节点主要负责对信号的采集，协调器主要负责整个传输网络的建立及与 Pc机间的通信.终端节点通过串口接收到 MSP430采集到的数据后，将数据写入到设备的无线传输拈中，然后通过射频信号无线发送到协调器的无线传输拈，当协调器接收到数据后，通过协调器的串口传送到上位机。

终端节点拈图2 ZigBee传输框架图Fig.2 Transmission frame diagram of ZigBee2硬件电路设计 誓 嚣 誊墓2.1 检测部分的硬件电路设计 透过滴管到达三极管(如图2-U6部分)，光敏三极检测电路硬件原理图如图3所示，由音调译码 管接收到光信号后，产生-定的光电流，将电流信号- 口口据l-- lI--燃 传据格据线数据数-- -------第 1期 余学飞，等：基于 ZigBee技术的输液监测系统设计 53转化为电压信号，经过电压比较器 u5，将输出信号送到鉴频电路(由U7组成)，其功能是频率鉴别，当输入信号的频率不等于鉴频电路的中心频率f时，鉴频电路输出高电平，当输入信号的频率等于鉴频电路的中心频率时，鉴频电路输出低电平.在系统中，将鉴频电路的中心频率，也就是5脚产生的频率调整至光源的调制频率，就能对3脚的输入信号进行频率鉴别.鉴频电路输出电平高低的变化反映了是否有液滴通过，通过对鉴频电路u7输出脉冲信号的计数，可以计算出液滴的流量.液滴在下落过程中形状会发生变化，由于光学特性会对输出脉冲波形产生-定的影响，所以在最后再增加-个稳态电路 u8，来提高整个电路的灵敏性。

图 3 检测硬件电路图Fig.3 Detection hardware circuit diagram2.2 MSP430及外围硬件电路设计硬件电路如图4所示，外围电路主要包括键盘，蜂鸣器，LED灯，数码管等电路.按键电路由4个按键组成，主要用来对溶液的初始量进行设定和在输液过程中，有紧急情况需要呼叫医生时使用，蜂鸣器和LED电路用来进行声光报警，数码管用来显示输液的初始量和剩余量等。

2.3 ZigBee硬件电路设计在ZigBee网络中，每个节点都有-个 16位短地址和-个 64位的长地址.短地址用于本地网络中的设备通信，长地址则可以与本地网络之外的其他网络进行通信.数据传送采用星形网络方式，即各个终端设备都直接向协调器传输数据，最后中心节点也就是协调器把数据传到计算机中.CC2530主要硬件电路如图5所示。

CC2530具有低功耗 8051的微控制器内核，它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能.电路中使用单极子不平衡的天线，使用-个巴伦(平衡不平衡转换器)来最优化性能，巴伦使用低成本的分立电感(2、I3)和电容(C11、C14)实现.系统晶振 x1选用32.768 K，用于要求非常低的睡眠电流消耗和精确唤醒时问的应用，外部晶振 )(2选用 32 M，用来满足时序要求。

3 程序设计3.1 监测电路下位机程序框图如图6所示，输液监控终端程序主要由初始化模块和各功能拈组成.初始化拈主要包括通信、中断、定时器等的初始化，功能拈主要包括键盘控制、报警控制、更新数码管显示等.键盘主要通过查询方式，数码管显示采用中断更新显示，报警主要通过判断是否有报警标志位，若报警标志位置位，则报警。

54 暨南大学学报(自然科学版) 第34卷图4 MSP430部分电路图Fig.4 Part of the circuit diagram of MSP430图5 ZigBee硬件电路图Fig.5 Hardware circuit diagram of ZigBee3.2 ZigBee终端节点程序框图ZigBee的节点程序框图如图7所示，终端节点上电初始化完成后进人数据接收状态.若接收到数据，对接收到的数据进行判断，若接收到的数据长度正确，则保存到数据列表中准备发送到协调器，若判断出接收到的数据长度不对，则重新进行读取.读取数据时序由定时中断来产生，每中断-次进行-次数据读取.只有在中断产生时，拈处于唤醒状态，其他时段都处于休眠状态，保证了整个系统的低功耗。

4 Zigbee数据传输Zigbee的数据传输是在协调器与路由节点之间的传输，分别给协调器和路由节点上电后，协调器负责整个网络的建立，当协调器建立好整个网络后，路由节点请求加入此网络，此时协调器会给路由节点分配-个网络ID号 ，表示同意路由节点加入网络。

第 1期 余学飞，等：基于ZigBee技术的输液监测系统设计 55l初始化。。。。。 。。。。。 。。。。。 。。。。。 - - 设定容量Y l I N I查询量标蜂鸣器响LED2灯亮N图6 下位机监测程序流程图Fig.6 PC-PLC monitoring program flow diagram图7 ZigBee传输流程图Fig.7 Transmission flow chart of ZigBee将MSP430采集到的数据通过串口传送到ZigBee的终端节点，终端节点通过判断串口的 RX端口是否接收到数据，如果接收到数据就将此数据无线传送给协调器，协调器接收到数据后通过串口将数据传输到Pc机.在对协调器和路由器的串口进行初始化时，要对相关信息进行配置，包括串口配置信息、目的设备端口、接收序列号、目的地址等等。

ZigBee在数据传输过程中，采取两种措施增强数据通信的可靠性.首先是利用 SERIALAPP-MSG-RTRY- EVT(重发数据事件)重发数据，在数据包之前增加SerialApp-SeqTx(序列号)，多次重发的数据不会被接收节点重复发送到串口.另外还加入了数据接收响应机制，发送节点在发送完数据后等待接收节点返回接收数据响应，收到返回接收数据响应的命令 SERIALAPPCLUSTERID2(接收数据响应命令)后，判断信息包中的接收状态参数.若接收状态为 OTA-DUP-MSG(串口繁忙事件)，表明接收点串口繁忙，应启动重发机制，若接收状态为 OTA-SUC。

CESS(接收成功命令)，表明接收节点将数据成功发送到串口，应释放缓存区，等待串口接收下-包数据。

在数据传输过程中，将 MSP430、路由器、协调器和 Pc上位机的波特率设为-致，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。

5 实验数据测试5.1 实验具体操作输液量是通过测量茂菲氏滴管的液滴滴数来计算的，常用的茂菲氏滴管的规格有 15、20 d/mL，本设计选用 20 d/mL的输液器进行实验。

首先给液滴检测电路上电，上电后按下键盘电路中的 S2建(图 4所示)，表示准备设定输液的容量，现在-般的输液容量包括 4种规格：100、250、500、1 000 mL，按 s3键表示从小到大设定(100-25O- o0-1 000)，按 S4键表示从大到歇始设定(1 000-500-25O-100)，设定好容量后，再按下s2键，检测电路开始检测是否有液滴通过并进行计数.然后给ZigBee网络的协调器上电，协调器开始建立网络，等协调器建立好网络后 ，给终端设备上电，让终端设备加入协调器建立好的网络，最后打开输液管开始输液，整个系统开始工作。

5.2 实验数据分析在实验过程中，用数码管来显示实际测到的液滴数，同时将测到的液滴数通过ZigBee网络传输到PC机，在 PC机上观察接收到的数据是否与数码管显示-致.以人眼观测到的液滴数为实验标准，但因为人眼持续长时间的观测会产生较大的误差，也很难做到长时间观测，所以先将各次实验的输液过程拍摄下来，然后对液滴进行计数，同时将 Pc机接收到的数据进行保存，以便进行对比.将剩余报警量设定为整个容量的5%，也就是当剩余的容量少于初始容量的5%时，蜂鸣器报警.(液滴误差 f实际滴数-数码管显示的滴数I/实际滴数、误码率 传输的错误数据个/ZigBee传输的数据个数)56 暨南大学学报(自然科学版) 第34卷1 l291 732 l172 59l3 16925252525251 1251 7062 1082 5793 1521 1291 7132 l172 5913 169812l3l l224568841O3l260.53O.4l0.430.470.540 710.70O.6l0.420.69根据测得的实验数据分析，当输液速度小于100 d/min时，液滴的误差率维持在 1%以下，远远小于报警容量的5%，并且正常输液速度都小于 100d/min，所以能满足需要。

5.3 误差分析(1)实际液滴数用人眼来观察，在计数过程中会产生-定的误差。

(2)虽然采用了调制解调电路，但只能在-定程度上减小外界光对红外光的干扰，不能完全消除外界光的干扰。

(3)输液管受到外界干扰会产生晃动，红外光可能无法照射到液滴上面，使计数产生误差。

(4)系统电路本身具有-定的灵敏度，当液滴滴速过快时，导致某些信号无法采样，从而导致计数误差。

(5)某些液滴在下落过程中，会与后-滴液滴形成不规则的形状，导致计数误差。

(6)误码率的存在，是因为波特率的匹配，虽然MSP430和 CC2530采用了相同的波特率，但都存在- 定的误差。

(7)ZigBee属于无线传输，在无线环境中传输，必然存在衰落和干扰等问题。

6 结论本研究设计的基于 ZigBee技术的输液监测系统，在医院现有物联网的基础上，将输液监测系统搭载上去，利用医院物联网对输液进行集中监测，在-定程度上减轻了医护人员和陪护人员的劳累程度，同时医便管理，使得整个物联网更加完善.整个系统综合考虑了稳定性、低功耗、低成本等方面的因素，具有使用方便、操作简单、工作稳定等特点，能够适合大多数医院推广使用。