基于窄带物联网的智能输液及体征实时监控系统

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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

【摘要】

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出现医疗事故等缺点，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。该系统结合传感器、控制、窄带物联网、通信、计算机、机械等技术，实现了输

液过程的自动控制、体征远程实时监测、信息存储，系统具备药物识别、无线体征检测、滴速检测及调节、实时药液剩余量检测，无线网络

实时监控与控制等功能，使医疗监护安全性得到更进一步的提升，为全面改进医疗监测系统奠定了雏形。

【关键词】

窄带物联网；输液；体征；药物识别；滴速控制；药液剩余量检测;实时监控

Intelligent infusion and physical sign real-time monitoring system bad on narrow-band Internet of things

CAI Gu-qi，ZHUANG Xin-cai，ZENG Yi-qiu，ZHOU zhao，WU Pei-yan，ZHOU Wen-bo，ZHU De-hai

（School of Automation，Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 51000）

Abstract

：In view of the shortcomings of traditional artificial infusion system and traditional artificial physical sign detection system，such as large

manpower and material resources，low safety，and intimely medical accidents，we designed a real-time monitoring system for intelligent infusion

and physical signs bad on the network of narrow system combines nsor，control，network of narrow band，communication，com-

puter，machine and so system realizes automatic control of infusion process，remote real-time monitoring and information system

has drug identification，wireless sign detection，detection and adjustment of drop speed，real-time measurement of liquid and liquid residue，and

real-time monitoring of wireless functions of control and control have further improved the safety of medical care，and laid a rudiment for

improving the medical monitoring system in an all-round way.

Keywords

：Narrow-band Internet of things；infusion；signs；drug identification；dripping speed control；liquid residue detection；real-time monitoring

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。但就目前而智能输液设备的结构如图2所示：

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（1）每个输液瓶上都附带有相对应二维码，记录着药品的具

却仍未出现。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，

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 bad on narrow-band Internet of things

2.2 智能输液设备的设计

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。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

（3）另外，置于茂菲氏滴管两侧的红外线对管时刻监控着滴备、多功能体征检测设备、和终端监控系统3部分组成，其中，智

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

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。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。

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

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

基金项目：广东省大学生科技创新培育专项资金（项目编号：pdjh2017b0295）；2018省级大学生创新创业训练项目“基于物联网的多

功能便携式系统及其智能输液系统”。

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（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。

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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（℃）33.033.233.433.633.834

体温（℃）36.036.2836.5636.8437.1237.4

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

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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频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-

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

IoT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

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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。移动物作者简介：

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。

参考文献

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蔡谷奇（1995—），男，广东揭阳人，大学本科，现就读于广

东技术师范学院自动化学院2015级电气工程及其自动化专业。

庄鑫财【通讯作者】（1990—），男，广东揭阳人，硕士，研

究方向：检测技术及自动化装置、嵌入式系统开发

曾奕秋（1995—）男，广东潮州人，在读硕士研究生，专业方

向：控制工程。

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