点滴研究报告35.docx
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点滴研究报告35
黑龙江省第十三届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛
研究报告
项目名称：
基于物联网技术的护士助手
项目负责人：
刘伟
项目组成员：
刘丰范浩然
指导教师：
向明尚
摘要
随着电子计算机在各领域的应用普及与技术水平的不断提高，我国医疗行业设备的智能化水平在不断增强。
针对当前医疗点滴系统监控方面存在的缺陷，设计了一套基于物联网技术的点滴实时监控系统，实现医疗点滴监控系统管理全面智能化及网络化。
文章介绍了基于物联网技术的护士助手的研究与设计，阐述了利用物联网技术进行创新开发的具体过程以及本项目的主要技术和创新点，对点滴监控系统核心处理器的设计，整体硬件系统方案的建立和软件系统设计的方法进行了介绍。
关键词：
点滴监控物联网
第1章概述
1.1项目研究背景及意义
目前，我国医疗点滴监控基本上采用人工方式。
病人在输液过程中，必须时刻关注瓶内药液的剩余情况，当药业即将输送完毕，必须按键通知医护人员前来处理。
由于医护人员的工作繁忙，没有精力顾及每一个患者的输液情况，因此，病人输液通常需要家属陪同。
而人工长期监视输液容易疲劳，额疏忽造成医疗事故。
尤其是针对卧床的住院病人，人工辅助管理的输液方式始终存在潜在的安全隐患。
到目前为止，大多数医院至今仍然依靠人工监督输液状态，仅在ICU病房才使用全智能的输液监控系统，而且基本采用进口产品。
由于进口智能点滴监控产品非常昂贵，普通医院和病人没有经济能力承担大笔的费用支出，这给了国内外医院临床点滴监控智能化系统管理带来了较大的困难。
1.2国内外研究现状
国内对点滴智能监控设备的研究起步相对较晚，20世纪90年代开始从事在医疗类设备产品的研发。
由于很难突破液体点滴监测的技术难关，如今国内市场出现的医疗输液监控设备技术相对落后、功能单一以及性能不稳定，设备性能达不到实际需要，未能在医院进行推广使用。
医疗器械液体点滴智能监控类产品在国外的开发与应用已有近半个世纪的历史。
目前，发达国家的医疗器械产品技术相对比较成熟，市场上关于点滴智能监控的系列产品种类众多。
在西方国家，临床输液监控基本实行智能化，输液泵在医院的使用十分普遍。
例如日本的ATOM输液泵和JMS输液泵OT-701，美国、德国等国家也有性能较好的输液监控产品，都具备输液过程智能监控以及自动定量配药功能，并能对外输出信号从而组建网络。
1.3研究内容及创新点
1.3.1研究目标
本课题的主要目标是实现高精度、高稳定度和成本低廉的点滴智能监控技术，形成点滴智能监控智能化管理系统，彻底改变当前国内医院普通病房医疗输液人工监控的局面，提高医院医疗点滴监控自动化管理水平，提高医院护士的工作效率。
1.3.2主要研究内容
液体点滴智能监控系统总体分为三大功能模块：
前端输液状态检测及信息提示、无线网络信息传输和数据库系统管理。
本课题研究主要涉及以下三个方面的内容：
①实现液体点滴的智能监控：
在不改变原有输液模式及设备的情况下，研究出一种安装便捷、价格实惠、性能稳定的方式，实现对点滴药液输液状况智能监控，并且终端具有报警和显示功能。
②建立无线通信节点：
负责传输点滴监控终端发出输液速度及输液完毕报警信息，通过无线节点，将信号传给点滴监控中心。
③建立信息数据库管理系统：
为方便医务管理，点滴监控中心的计算机软件系统需建立一个微型信息数据库，数据库中录入病人的个人信息，包括病人基本资料、病人分类、用药信息等，系统提供信息查询和报警功能，当输液状况出现异常或输液即将完成时，系统自动提醒医护人员。
软件系统界面设计友好、醒目。
当某床位输液完毕，需医护人员前往处理，系统界面显示警告，同时显示床位信息，并发出声音报警信号。
1.3.3课题特色
课题创新点：
在不改变原有点滴模式的情况下，采用光电模式实现高精度、高稳定度的点滴智能监控。
课题主要特色：
点滴状态监测精度高，安装便捷；系统信息传输，通过无线网络完成，无需布线，安装便捷；实现数据库管理模式，使得医疗点滴智能监控管理系统化和网络化。
第2章开发平台及关键技术介绍
2.1开发平台
本实验是使用以C语言编译系统作为平台。
通过KeiluVision4软件对护士助手系统的硬件构建进行设计以及相应的引脚分配。
上层的软件使用VS2010进行设计和开发，在实验测试方面使用89c52实验开发板。
PC机要求：
CPU：
PentinulnIV以上
内存：
1G及其以上
时钟频率：
90MHz以上
硬盘：
80G以上
显卡：
128MB以上
运行软件要求：
操作系统要求windowsXP以上版本，安装有KeiluVision4、和VS2010、相关硬件支持包。
2.1.1KeiluVision4，STC简介
KeiluVision4是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。
最新的KeiluVision4IDE，旨在提高开发人员的生产力，实现更快，更有效的程序开发。
uVision4引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图内的任何地方，包括支持多显示器窗口。
uVision4在uVision3IDE的基础上，增加了更多大众化的功能。
KeiluVision4可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。
KEILC52标准C编译器为8052微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
C52编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。
C52已被完全集成到KeiluVision4的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：
编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。
STC-ISP是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。
2.1.2物联网简介
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。
其英文名称是“TheInternetofthings”。
由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。
这有两层意思：
第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
物联网就是“物物相连的互联网”。
物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。
因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。
使用物联网的优点：
1．优化的体验
1）商业活动自动化的可见性和可测量性。
2）通过实时高分辨率的信息捕捉可提供性价比更高的服务。
3）实现对产品实时性能信息的分析。
4）通过提高运行效率、准确性、灵活性和自动化来创新已存在的商业流程。
2.1.3IAR软件构建工具简介
IAREmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境（下面简称IAREWARM）。
比较其他的ARM开发环境，IAREWARM具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。
IAREWARM中包含一个全软件的模拟程序（simulator）。
用户不需要任何硬件支持就可以模拟各种ARM内核、外部设备甚至中断的软件运行环境。
从中可以了解和评估IAREWARM的功能和使用方法。
IAR软件的开发流程：
1）新建工作区、项目
EWARM是按项目进行管理的，它提供了应用程序和库程序的项目模板。
项目下面可以分级或分类管理源文件。
允许为每个项目定义一个或多个编译连接（build）配置。
在生成新项目之前，必须建立一个新的工作区（Workspace）。
一个工作区中允许存放一个或多个项目。
2）编译和连接应用程序：
a）编译源文件
b） 连接应用程序
2.2关键技术分析
2.2.159c52单片机
89C52是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机．片内含8KbyTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）。
与标准80C51指令系统及80C52产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH由存储单元，功能强大，适用于许多较为复杂控制应用场合。
2.2.2物联网技术
“物联网技术”的核心和基础仍然是“互联网技术”，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术；其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间，进行信息交换和通讯。
因此，物联网技术的定义是：
通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术。
简单讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制。
在物联网应用中有三项关键技术。
1、传感器技术，这也是计算机应用中的关键技术。
大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。
自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。
[2]
2、RFID标签也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。
3、政府应该加大对产业的投入，这个投入可以不是资金，而是给企业更多的政策，特别是在操作系统、开发工具、IC设计等产业链中高端领域上从政策到资金都要加大投入。
在管理上引入重大资金投向问责制，对长期投入资金不能市场化、产业化的项目，定期论证评估，不能达标的关停并转甚至要追究责任。
4、减少盲目引进项目，在嵌入式与物联网的发展中，核心技术坚持鼓励国产化，从资金上、税收上加大力度向自主研发产品倾斜。
杜绝盲目引进产业链的中高端技术，特别是不能出现像其他行业一样，重复引进同一个外国品牌多条生产线的状况。
5、《物联网“十二五”发展规划》中提出二维码作为物联网的一个核心应用，物联网终于从“概念”走向“实质”。
二维码（2-dimensionalbarcode）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：
二维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。
物联网技术的支撑技术有：
（1）.RFID:
电子标签属于智能卡的一类，物联网概念是1998年MITAuto-ID中心主任Ashton教授提出来的，RFID技术在物联网中主要起“使能”（Enable）作用；
（2）.传感网：
借助于各种传感器，探测和集成包括温度、湿度、压力、速度等物质现象的网络，也是温总理“感知中国”提法的主要依据之一；
（3）.M2M：
这个词国外用得较多，侧重于末端设备的互联和集控管理，X-Internet，中国三大通讯营运商在推M2M这个理念；
（4）.两化融合：
工业信息化也是物联网产业主要推动力之一，自动化和控制行业是主力，但目前来自这个行业的声音相对较少。
物联网技术的意义是突破传统思维---过去是将物理设施和IT设施分开。
一路是机场、公路、建筑物等等现实的世间万物，另一路是数据电脑、宽带等等虚拟的“互联网”。
而在“物联”时代，“现实的世间万物”将与“虚拟的互联网”整合为统一的“整合网络”，全球全世界的运转以此为基础---经济管理生产运行社会管理乃至个人生活---全球世界---互联物联---整合大同。
2.2.3智能主板与ZigBee
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
1.Zigbee技术有以下特点：
（1）.低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。
该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。
（2）.低成本。
通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2美元。
（3）.低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
（4）.近距离。
传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
（5）.短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
（6）.高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
（7）.高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单（AccessControlList,ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
（8）.免执照频段。
使用工业科学医疗（ISM）频段，915MHz（美国）,868MHz（欧洲）,2.4GHz（全球）,
由于此三个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6MHz,2MHz和5MHz。
分别有1个,10个和16个信道。
这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。
扩频都使用直接序列扩频（DSSS），但从比特到码片的变换差别较大。
调制方式都用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。
在发射功率为0dBm的情况下，蓝牙通常能有10米的作用范围。
而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米（TICC2530不加功率放大）。
所以ZigBee可归为低速率的短距离无线通信技术。
ZigBee的无线传输，简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。
ZigBee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。
而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
2．ZigBee的组网通信方式
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。
而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。
因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。
这就是自组织网。
ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？
网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。
而这一点对工业现场控制而言则非常重要。
为什么自组织网要采用动态路由的方式？
所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。
在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。
在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。
动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。
第3章基于物联网的护士助手的设计方案
3.1系统总体概述
护士助手主要由硬件系统、软件系统和单片机系统三部分构成，此外还配有步进电机、显示设备等设备。
硬件系统包括负责采集环境参数的传感器，控制串口无线通信的ZigBee节点和单片机组成的下位机。
软件系统包括下位机软件和上位机软件，下位机软件由采集软件和控制软件组成，采集软件负责采集点滴滴速、剩余液体检测等参数并进行分析计算传给控制软件。
控制软件则根据采集来的参数协同执行机构进行相应的环境参数调节。
上位机软件使用VisualStudio2010开发一套高效便捷的可视化C/S模式的操作软件，用户可通过PC客户端对系统进行点滴状况监控、病人信息设置等操作。
单片机核心系统负责协调硬件系统和软件系统，是整个护士助手系统的核心。
系统总体描述如图1所示。
图1系统总体描述
3.2硬件系统设计
3.2.1硬件系统总体设计
该护士助手系统的核心系统采用物联网技术，应用单片机设计，为系统控制核心。
控制系统、采集系统为系统中两个重要的组成部分，也是设计难点。
采集系统包含对滴液信号的采集。
对于光电耦合传感器采用多点布置方式并把实时环境数据经滤波除噪后传输至控制系统。
控制系统根据采集的滴液信号速度进行分析，执行相应的操作。
使用步进电机用提高，降低的点滴瓶方法以及在滴液信号较长时间消失时掐紧点滴管来实现对本护士助手系统的滴液速度的控制。
系统功能框图如图2所示。
图2系统功能框图
3.2.2采集系统设计
采集系统采集点滴对光电耦合器信号的遮断以及对红外遮断信号的接收与处理。
点滴信号采集，利用光电耦合器实现。
将光电耦合器布置于滴壶上半端。
点滴信号采集到的点滴信号数据通过物联网技术传递单片机处理转换成数字量后传入控制系统。
3.2.3控制系统设计
控制系统使用了步进电机作为外设，为了能够长期稳定地运行，使用继电器将控制系统高电压、强电流电路与采集.
加速、减速：
使用步进电机根据单片机处理的结果调节点滴瓶的高低，以此来调节静脉输液设备的点滴速度。
点滴异常中断：
使用步进电机在光电耦合器较长时间无遮断信号时掐死点滴管，停止点滴进行，并在客户端进行警告。
基于物联网技术的
护士助手系统核心
光电耦合器
图3采集/控制模块框图
3.3软件系统设计
3.3.1VisualStudio2010的程序模块设计
VisualStudio2010的程序包括登陆模块、主界面、观察模块、管理模块四个部分。
本系统的VisualStudio2010程序系统设计模块图，如图4所示。
图4VS设计模块
1．登陆模块设计
进行登陆用户名密码验证，分配相应权限，并且加入验证码，防止恶意登陆。
图
（一）
2．主界面
选择观察系统、管理系统、退出系统，执行相应操作
图
（二）
3．观察系统
接收串口信号显示各个床位的占用状况和病人信息，并可以具体选择床位，查看病人信息与药品信息、点滴速度的图文显示，并且据此计算剩余时间和结束时间，并且可以新增病人。
另有声光警报的点滴异常示警。
图（四）
4．管理系统设计
提供药品、用具、人员的增删改查功能。
图（五）
3.3.2采集、控制系统设计
采集系统负责采集滴液速度。
根据采集回来的参数协调控制系统的动作。
控制系统包含滴速控制和异常中断。
按照模块化设计的原则，将整个系统划分了多个子任务主要有：
系统进行初始化、系统时间显示、采集及控制滴速、滴速异常中断示警。
子任务间相互独立工作，然后将这些子任务以调用函数的形式集中起来，这样便能够有清晰的思路来编写程序。
系统设定了一系列的参数来保证护士助手的滴速控制功能，设定内部点滴速度在20—150（滴/分）。
系统控制的详细参数如表1所示。
表1系统控制参数
序号
控制参数
相应的处理措施
1
滴液速度
系统根据内内部设定分析控制内部温度增高或降低
2
异常中断
在点滴出现异常时进行紧急处理并报警。
第4章基于物联网护士助手的系统实现
4.1构建核心系统
单片机是整个系统的运算核心和控制核心，它指挥着整个系统的稳定运作。
本系统使用的控制核心是两块单片机，配合keil2的开发环境，用STC_ISP_V480烧写到单片机中组成控制中心；在用户的pc机端，通过vs2010实现人机交互功能，为护士提供实时监护的目的，实现步骤如下：
1．选择一块89C52单片机作为本系统的数据采集控制处理器，单片机技术成成熟，安全性高，最重要的是成本低廉，适用于大范围的推广。
2．选择另外一块单片机作为滴速的控制系统，其核心是接收控制数据系统采集的数据，自动判别速度的高低，针对不同的人群的使用范围，通过控制步进电机进行智能控制吊瓶的高低，根据不同的液压从而控制速度。
3．用vs2010建立人际交互的界面，用c#的相关技术与数据库建立连接，把药品、病房状况、病人入住情况存在数据库中，为整个系统提供数据依据，同时采集的数据也会存入数据库系统当中，及时更新。
4．用zigbee无线传输模块进行数据采集系统和人机交互系统的数据连接，达到远程控制的效果，zigee节点传输数据快，节点可以达到多个，可以大范围的使用。
5．运用MicrosoftOfficeAccess数据库系统进行数据库的处理，该数据库使用小型简单的数据库开发，但是操作简单，对护士助手系统提供数据支持可以满足，减小了推
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