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嵌入式WiFi智能输液云监控系统.pdf

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嵌入式 WIFI 智能 输液 监控 系统
资源描述:
项目名称: 嵌入式 WiFi 智能输液云监控系统 团队名称: sharknaro 队员名字: 赵镇 艾小禾 刘鹏 TI物联网设计大赛 参赛方案 一、 项目设计背景及概述 从 2013 年起,硬件领域便悄然兴起了一股创新热潮并引发了广泛关注,很多人也称之为“硬件复兴元年”。而在 2014 年,发展的速度更加迅猛。结合当前普通中小医院临床输液过程中人工监护居多。这些医院虽然都安装了简易的有线报警装置,但仍需输液病人自己观察输液结束时手动报警以呼叫医护人员,护士人员通过观察报警显示装置后而采取行动。其次,护士靠肉眼观察和经验调节滴速。显然这种方式难以精确计量控制。而且输液速度过快或过慢,对疗效产生极大影响。再者,输液器对输液完毕和输液过程中偶然出现的故障,如气泡、阻塞都不能自动报警,也不 能及时切断输液通路,以致产生不良后果。普通的简易装置存在输液事故发生率高,医护效率低,患者心理压力大等弊端。这就对医院输液的智能化和人性化程度提出了更高的要求。 二、 项目设计原理 1、 原理概述 我们以 TI 公司 MSP430 单片机为控制核心,基于传感器技术、单片机技术、无线通信技术、NFC 技术、智能云技术等研究设计了一套嵌入式 WiFi 智能输液云监控系统。采用光电检测模块检测输液速度,通过步进电机对点滴速度进行控制,利用液晶和按键设定并实时显示点滴速度,当 h1 降到警戒值( 1~2cm)时,发出报警信号,实现人机交互。软件部分采用软件滤波、 PID 算法等,实现系统精确控制,利用 WiFi 开发套件发出来的信号,建立起专用的视频监控网络,配合带有 WiFi 功能的摄像头,实现远程监控、网络会诊等功能。同时,将输液过程中的的数据等信息通过互联网接入云平台监控 V2.0,实现数据采集、智能预警、系统走势分析、曲线拟合等多项功能,利用我们强大的手机安卓客户端可以随时随地监控输液过程中的全部数据,让本系统 具 极强的设 备连接的能力,实现互联网服务的加载,形成 “ 云+端 ” 的典型架构,具备了大数据等附加价值。 本系统针 对目前的医院输液过程中存在的弊端,做出了解决方案,推进了医疗事业的智能化和信息化建设。 2.硬件设计原理 MSP430系列单片机是TI公司近期推出的16位系列单片机。该系列是一组超低功耗的微控制器,供电电压范围为1.8~3.6V,特别适用于长期使用电池工作的场合。由于其具有16位RISC结构、16位寄存器和常数发生器,因而MSP430 系列单片机具有最大的代码效率。考虑到本设计有低功耗、小体积的要求,所以,选用了MSP430F1121型单片机芯片。该芯片特有的FLASH 存储器在系统设计、开发调试及实际应用 上都表现出较明显的优点。MSP430F1121内部有一个数控振荡器(DCO)和一个晶体振荡器,带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器TIMER-A、一个看门狗定时器 Watchdog Timer-A、一个模拟比较器 Comparator-A 和12个I/O 口(每位均有独立的中断能力,可独立控制),另外,还具有4kB+256字节的FLASH ROM和256字节的RAM存储空间,因此在整个硬件电路上无须外加程序存储器。当单片机处于闲置状态时,可以使其处于睡眠状态以降低功耗,并可通过选择4种工作模式来使其最低功 耗几乎为零。其功耗低,体积小,功能强大的特点使其特别适用于低功耗的系统的设计与开发。 2.1 电源电路 整个电路由四节电池供电,除了可以用电池供电外,还可以通过直流输入端由小型变压器供电,以满足在室内及走动等不同场合的需要。由于TI单片机的供电电压比其它模块的要低(只有3.6V),因此可选择L31A作为MSP430F1121的稳压芯片。为保证输液正常,电源电路中还配有电池电量检测装置,以便在电池电量比较低、可能会影响到正常输液的情况下及时报警,以提醒更换电池。因此,利用单片机MSP430F1121内置比较器模块的特点,即可不用外加专门的电池检测芯片,而只需两个电阻就可以完成此功能。 2.2 键控模块 出于对医疗仪器安全可靠的考虑,为防止按键的误动带来的不安全因素,一些主要的按键操作都是用组合键的形式完成的,即只有特定的两个键被同时按下时才能生效。这样,完成所有的操作一共只需要四个键。考虑到单片机的I/O口资源比较丰富,而且每个I/O口均有独立的中断能力,因此,4个键可直接接到单片机的I/O口上,并通过中断方式由CPU来响应。由于硬件电路比较简单,与之对应的软件也大大简化。另外,为了提高整机的安全性能,该 装置还配有由于异常情况造成的流速过快而产生的压力超标及药液袋的外围保护壳被打开的报警装置,报警的同时停止输液,禁止所有操作。 2.3 泵驱动模块 本系统用的输液泵驱动模块由两相4线式步进电机和泵体组成。由于输液要求计量准确、可靠,因而选用步进电机作为动力装置。步进电机是一种可以把脉冲激励的变化转换成精确转子位置增量运动的执行机构,它可将脉冲信号变成电机相应角位移的机械量,从而通过控制脉冲的个数来控制电机转动的时间,并通过改变脉冲的频率控制电机运转的速度。由电机驱动泵体的凸轮机构循环压缩胶管,从而实现输液功能。 为了让输液泵安全、可靠地工作,并且从简化硬件电路的角度出发,步进电机的运行并不是由单片机来驱动达林顿管直接控制的,而是通过两根控制线对步进电机的驱动模块进行间接控制,并分别实现启动与控制。这里的步进电机驱动芯片选用的是MOO8335。启动信号用于启动步进电机,而运转时间和停止时间则由控制信号控制。本仪器输液的速度是通过步进电机停、转时间的不同来控制的,因为步进电机在整个运行期间,其转速可以保持恒定。 2.4 智能云平台 完善、配套的支撑技术 WIFI 云模块:串口或者 SPI 通信,优化的电源管理,模块支持二次开发 完善、配套的支撑技术 透传云系统 三、 软件设计原理 MSP430的内核结构采用具有高透明格式的精简指令集(RISC)设计。指令分为硬件实现的内核指令和利用这一硬件结构的具有更高效率的模拟指令,使用起来非常方便。在本系统中,单片机完成初始化任务(设置标志位,设置定时器,比较器,看门狗的工作方式)后,就进入低功耗睡眠状态,任一中断均可将其唤醒,转而执行相应的子程序。单片机的大多数操作都采用中断方式。 图 1 系统控制图 四、 测试结果 项目达到的 关键 硬件指标 本文是以新一代 TI MSP430 控制芯片为基础、以无线传输方式来进行通信,并设计相应界面来显示有效信息的一种设计系统。主要分为硬件设计、软件设计两大部分:硬件设计包括发送和接收两块电路板,发送板能实现显示、滴速检测、液位报警、无线发送、智能云数据分析等基本功能;接收板能通过无线接收数据并通过串口线把报警信号传送到上位机。再利用虚拟软件进行界面设计和编程把有效数据显示出来。本设计通过查阅资料,综合考虑了各方面的因素,设计出该系统 ,之后进行了几次修改、完善,做了大量实验,达到预期效果。 通过对输液智能云监控系统的研究,我们增长了很多知识,很好的熟悉了软、硬件设计方法,亲自焊接调试、编程应用,积累了不少经验。 希望有关专家和老师提出宝贵的意见,是本输液智能云控制系统得到更好的优化。 五、 视频演示 视频连接:http://v.youku.com/v_show/id_XODE0Mjk3MTky.html?tpa=dW5pb25faWQ9MTAzMjUyXzEwMDAwMV8wMV8wMQ&qq-pf-to=pcqq.c2c 密码: 123456 }
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