基于电力线载波技术的输液远程监测系统

　　摘要：基于电力线载波技术的输液远程监测系统是由单片机、红外线检测电路和步进电机组成的，并以SC1128扩频通信芯片为基础，辅以外围电路设计的，实现对输液液位和输液速度的实时监测及控制输液速度。输液监测系统中输液的液位和速度通过红外检测得到实时的数据，经过调制电路耦合到电力线上传送至接收端，数据经解调传给上位机，由上位机发出控制指令使步进电机动作以实现对输液速度的控制。该系统具有自动报警及同时监测多个输液对象的功能。
   　　电力网是用户普及的物理网络，其用户使用群是任何网络都无法比拟的，而电力网的现有的主要用途是传输电能。如何利用电力网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上，实现窄带或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标。电力线载波通信是利用电力线路作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。电力线载波通信和其他通信方式相比，具有自己独特的优势，不需要进行布线施工，网络延伸广泛，且现有的网络具有稳定可靠的保障，因而在医疗设备中利用电力线通信实现通信与监控是非常实际而有前景的。
   
   　　1．输液远程监测系统总体设计方案
   
   　　输液远程监测系统的功能主要有两个方面：一方面在病房要采集病人点滴瓶的液位信息，输液结束时进行本地报警，引起病人及病人家属的注意；另一方面护士在工作站实时观察病人输液状态，得到报警信号后做到及时处理，实现输液远程监测。
   　　本设计将输液远程监测系统按功能划分为两部分，一部分安设在病房中，称之为病房输液信息采集器（下位机），采集病人的液位信息。另一部分放置在护士站，由值班护士进行监控，接受采集器上传的数据和输液结束报警，这部分称为输液监测控制中心。具体的结构如图1。
   
   　　
   　　图1输液远程监测系统结构图
   
   　　2. 载波通信控制器部分硬件设计
   
   　　无论是输液采集器还是输液监测控制中心都需要载波通信系统，只不过是输液信息采集器增加了输液信息采集与控制功能。
   　　2.1 通信系统结构
   　　本系统中采用具有扩频通信功能的SC1128作电力线载波芯片，用AT89C51作通信控制和输液信息采集（在下位机中）芯片，利用RS232口先进行点对点通信。图2为通信系统的硬件框图。
   
   　　
   　　图2 通信系统的硬件框图
   
   　　如图2所示，信号由电力线经耦合器、带通滤波器和前级放大器进入SC1128芯片。经微处理器处理后数据送至上位机完成接收。信号经SC1128通过功率放大器和耦合器发送至电力线上完成发送。
   　　2.2 SC1128外围硬件的设计
   　　SC1128外围电路由电源电路、耦合电路、滤波器、自动增益前级放大器和功率放大器组成。
   　　电源电路由工频变压器、滤波二极管电桥、滤波电容、三端稳压器等组成，主要为系统提供+12V与+5V电源。耦合电路由中频变压器、浪涌保护二极管和起限幅作用的二极管等组成，是信号传输的通道，载波信号经它耦合到220V交流电路上。带通滤波器由电容与电感组成，信号由耦合电路输入，滤掉杂波，再把信号输入到自动增益前级放大器电路。自动增益前级放大器是将接收的信号进行不失真放大，再输入SC1128的片内放大电路。功率放大器电路是将经过SC1128芯片处理后的脉冲放大，（此输出为OC门输出，在使用过程是应接上拉电阻，本电路上拉电阻值为2k。功率放大器由12V直流供电）。具体电路图略。
   　　2.3 SC1128与单片机的接口
   　　图3是SC1128与AT89C51的接口图。SC1128第28脚为电路工作主时钟的二分之一的晶振输出。32脚电压监测端。33脚看门狗输入端，正常工作时应该在768ms内产生一次高低电位变化。34脚看门狗输出端，与33脚配合，正常时输出低电平，否则输出三分之一占空比的复位脉冲。35脚与32脚配合，当电源信号低于监测值时，输出低电平，当高于监测值，则输出高电平。36脚收发控制端，0为接收，1为发射。37脚在发射和接受同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟和周波的变化而变化。38脚为输出发送和接收的数据。39脚为设置数据及状态的输入输出端。40脚为同步设置时钟输入端。41脚为片选输入端。当发射状态时，单片机将SR端（36脚）置高，SC1128芯片发出同步脉冲（37脚），单片机通过TX端（38脚）同步发送数据。当接收状态时，单片机将SR端（36脚）置低，SC1128芯片若接收到数据，则产生同步脉冲，通过TX端（38脚）将数据同步发送到单片机。
   
   　　
   　　图3 SC1128与AT89C51的接口图
   
   　　摘要：基于电力线载波技术的输液远程监测系统是由单片机、红外线检测电路和步进电机组成的，并以SC1128扩频通信芯片为基础，辅以外围电路设计的，实现对输液液位和输液速度的实时监测及控制输液速度。输液监测系统中输液的液位和速度通过红外检测得到实时的数据，经过调制电路耦合到电力线上传送至接收端，数据经解调传给上位机，由上位机发出控制指令使步进电机动作以实现对输液速度的控制。该系统具有自动报警及同时监测多个输液对象的功能。
   　　电力网是用户普及的物理网络，其用户使用群是任何网络都无法比拟的，而电力网的现有的主要用途是传输电能。如何利用电力网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上，实现窄带或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术攻关的又一目标。电力线载波通信是利用电力线路作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。电力线载波通信和其他通信方式相比，具有自己独特的优势，不需要进行布线施工，网络延伸广泛，且现有的网络具有稳定可靠的保障，因而在医疗设备中利用电力线通信实现通信与监控是非常实际而有前景的。
   
   　　1．输液远程监测系统总体设计方案
   
   　　输液远程监测系统的功能主要有两个方面：一方面在病房要采集病人点滴瓶的液位信息，输液结束时进行本地报警，引起病人及病人家属的注意；另一方面护士在工作站实时观察病人输液状态，得到报警信号后做到及时处理，实现输液远程监测。
   　　本设计将输液远程监测系统按功能划分为两部分，一部分安设在病房中，称之为病房输液信息采集器（下位机），采集病人的液位信息。另一部分放置在护士站，由值班护士进行监控，接受采集器上传的数据和输液结束报警，这部分称为输液监测控制中心。具体的结构如图1。
   
   　　
   　　图1输液远程监测系统结构图
   
   　　2. 载波通信控制器部分硬件设计
   
   　　无论是输液采集器还是输液监测控制中心都需要载波通信系统，只不过是输液信息采集器增加了输液信息采集与控制功能。
   　　2.1 通信系统结构
   　　本系统中采用具有扩频通信功能的SC1128作电力线载波芯片，用AT89C51作通信控制和输液信息采集（在下位机中）芯片，利用RS232口先进行点对点通信。图2为通信系统的硬件框图。
   
   　　
   　　图2 通信系统的硬件框图
   
   　　如图2所示，信号由电力线经耦合器、带通滤波器和前级放大器进入SC1128芯片。经微处理器处理后数据送至上位机完成接收。信号经SC1128通过功率放大器和耦合器发送至电力线上完成发送。
   　　2.2 SC1128外围硬件的设计
   　　SC1128外围电路由电源电路、耦合电路、滤波器、自动增益前级放大器和功率放大器组成。
   　　电源电路由工频变压器、滤波二极管电桥、滤波电容、三端稳压器等组成，主要为系统提供+12V与+5V电源。耦合电路由中频变压器、浪涌保护二极管和起限幅作用的二极管等组成，是信号传输的通道，载波信号经它耦合到220V交流电路上。带通滤波器由电容与电感组成，信号由耦合电路输入，滤掉杂波，再把信号输入到自动增益前级放大器电路。自动增益前级放大器是将接收的信号进行不失真放大，再输入SC1128的片内放大电路。功率放大器电路是将经过SC1128芯片处理后的脉冲放大，（此输出为OC门输出，在使用过程是应接上拉电阻，本电路上拉电阻值为2k。功率放大器由12V直流供电）。具体电路图略。
   　　2.3 SC1128与单片机的接口
   　　图3是SC1128与AT89C51的接口图。SC1128第28脚为电路工作主时钟的二分之一的晶振输出。32脚电压监测端。33脚看门狗输入端，正常工作时应该在768ms内产生一次高低电位变化。34脚看门狗输出端，与33脚配合，正常时输出低电平，否则输出三分之一占空比的复位脉冲。35脚与32脚配合，当电源信号低于监测值时，输出低电平，当高于监测值，则输出高电平。36脚收发控制端，0为接收，1为发射。37脚在发射和接受同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟和周波的变化而变化。38脚为输出发送和接收的数据。39脚为设置数据及状态的输入输出端。40脚为同步设置时钟输入端。41脚为片选输入端。当发射状态时，单片机将SR端（36脚）置高，SC1128芯片发出同步脉冲（37脚），单片机通过TX端（38脚）同步发送数据。当接收状态时，单片机将SR端（36脚）置低，SC1128芯片若接收到数据，则产生同步脉冲，通过TX端（38脚）将数据同步发送到单片机。
   
   　　
   　　图3 SC1128与AT89C51的接口图
   
   　　3. 载波通信系统的软件部分设计
   
   　　通信模块的程序主要包括发送测试程序、发送中断服务程序、接受中断服务程序，主要完成数据的接收和发送过程，程序清单略。
   　　在进行通信时还要注意中断和通信的配合问题，要先设置通信状态，再开放相应的中断。另外要注意先要让接收一方工作之后再让发送一方发送数据，这可以保证不丢失数据。
   　　在编写通信程序时要注意，收、发双方的通信速率要一致。门限值只对接收一方有意义，门限值的高低将影响到通信的误码率，但并非是门限值越高就一定越好，要根据各自的通信情况和相应的速率适当选择。SC1128在通信时收、发要注意时序的配合。
   
   　　4. 输液信息采集器的设计
   
   　　输液信息采集器是在载波通信控制器的基础上增加了输液信息采集与控制功能。由图3可以看出，通信控制器中只用了AT89C51的P1口和串行通信引脚，所以输液信息采集器的设计巧妙地避开了AT89C51的P1口和串行通信引脚，充分利用了AT89C51的P2和P3口实现了检测与控制功能。具体电路如图4。
   
   　　
   　　图4 滴速控制与液位检测报警电路图
   
   　　如图4所示，由单片机编程，将滴速检测信号送到单片机与设置在单片机的滴速比较，再由单片机发出控制信号给驱动芯片SAA1027对电动机的正反转进行控制以实现对储液瓶的高度控制。这样就可以对滴速进行控制了。
   　　将光电传感器安装到输液瓶上，当输液瓶的液位到达警戒液位时由于介质的变化使传感器的输出电压发生变化。从而实现液位警戒值检测和极限值检测，声光报警就是利用单片机AT89C51的I/O口控制并驱动发光管和蜂鸣器工作，实现声光报警。
   
   　　5. 系统调试
   
   　　对电力载波终端的测试是在同一台变压器范围内的某一单相上进行的。一台电力载波终端配一台接收机进行电力载波通信测试。分别在不同时间段和不同通信距离进行了测试，具体的测试结果如表1所示。
   
   　　表1 电力载波终端的测试数据
   
   
   　　测试结果表明，近距离测试时，在有负载和较强干扰如电力载波终端和接收机间有十几台正在运行的电脑和几个充电设备的情况下，电力载波终端仍能可靠的通信，完全满足通信与测控的要求。
   　　本文作者创新点：利用扩频通信电力线载波芯片SC1128和AT89C51单片机设计了输液远程监测系统。该系统通过电力线载波，利用低压电力线作为通信媒介，不需要进行重新布线施工实现了通信网络化，做到了病房输液系统的远程监控。同时也证明了扩频调制技术具有更好适应性和先进性，进一步展示了低压电力载波通信的美好发展前景。
   
   　　参考文献
   　　［1］ 刘建伟，余永权，边增远。基于电力线扩频通信的智能家居网络。微计算机信息（测控自动化）.2005， 12-1:160-162
   　　［2］ 陈静，张建平，刘玉梅。自动输液监控系统的设计与实现.Control Engineering China.2006，（6）
   　　［3］ 陈炎桂，陈志伟，关德新。基于SC128的无线扩频通信系统。电子技术应用.2005，（12）
   　　［4］ 周文光。一种简易医用输注器械液面检测报警装置的研制。医疗装备.2004，（6）
   　　［5］ 李和太，赵新，李新，夏加宽。智能输液监控系统的研制。沈阳工业大学学报.2006，28（3）