基于RTOS的输液监控系统的设计

匿囹望蔓銎篓兰当』盟文章编号：１６７１—４５９８ｆ２００６）０８—１０３９一０２中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ基于ＲＴｏＳ的输液监控系统的设计苏英，赵士伟，陈平（山东理工大学计算机科学与技术学院，山东淄博２５５０４９）摘要：基于目前国内绝大部分医疗机构点滴注射中存在的问题，介绍了一种应用于临床重力输液的输液速度自动监控系统的设计与实现方法，该系统基于ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２单片机和Ｍ４３０／０Ｓ嵌入式实时操作系统，采用上下位机模式并基于红外检测技术及模糊控制技术，实现了重力输液的本地及远程监控和管理，并可实现输液异常及输液结束报警；经实验证明，该系统具有检测精度高，输液速度调节快，操作方便的特点并且程序设计简化，具有较好的可读性及移植性。

关键词：ＲＴｏｓ；红外检测；模糊控制；实时处理ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＩｎｆｕｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＲＴｏＳＳｕＹｉｎｇ，ＺｈａｏＳｈｉｗｅｉ，ＣｈｅｎＰｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｄ“ｐｓｐｅｅｄｉｎｔｒａｎｓｆｕｓｉｏｎｔｈｅｒａｐｙｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＷｉｔｈＭＳＰ４３０Ｆ１２３２ａｓｉｔｓｋｅｙｐａｒｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩⅥ４３０／ｏＳ，ｉｎｆｒａｒｅｄｒａｙｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏ【ｏｇｙ，ｉｎｔｅｎｉｇｅｎｔｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏＩｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｄｏｐｔｓｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｃｅｎｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ【ｅｒａｎｄｂｒａｎｃｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇａｎｄｍｏｄｕｌａｔｉｎｇａｎｄｄｉｓｐｌａｙｉｎｇｔｈｅｉｎｆｕｓｉｏｎｓｐｅｅｄａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｎｄａｌａｒｍｉｎｇｗｈｅｎｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｄｒｏｐｓｔｏｔｈｅｓｅｔｐｏｉｎｔｏｒｔｒ８ｎｓｆｕｓｉｏｎｉｓｏｕｔｏｆｔｈｅｗａｙ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｐｅｅｄｙｍｏｄｕｌａｔｊｎｇ，ｉｔｉｓｇｏｏｄｉｎｅｆｆｅｃｔ，ｓｉｍｐｌｅｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｉｓｇｏｏｄｒｅａｄｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲＴＯＳ；ｉｎｆｒａｒｅｄｒａｙｉｎｓｐｅｃｔｔｅｃｈｎ０１０９ｙ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ０引言目前，我国的绝大部分医疗机构在进行点滴注射中，大都采用传统的人工监护手动控制的方法，其输液速度是护士凭经验和观察通过调节输液器上的手动滑轮来控制，速度调节不够准确，并且由于医护人员少病人多，经常发生由于输液过程异常、输液速度发生异变或监控处理不及时而引发的医疗事故，这也造成医护人员工作量大、工作压力重。

针对这种情况，该系统基于红外检测技术和模糊控制技术，实现实时检测和精确控制输液速度，并能实时监测输液剩余量，此外还可以对输液的异常情况进行报警。

同时系统还采用上下位机模式，使护士既可在输液点也可在值班室对输液参数进行观察和设置。

为简化编程该系统采用了ＭｓＰ４３０Ｆ１２３２单片机和网上公布的用于ＭｓＰ４３０的小的嵌入式操作系统Ｍ４３０／ＯＳ［１］，完成下位机程序的设计。

１系统的构成和工作原理１．１系统的总体构成该系统基于上下位机模式，由下位机完成输液点现场的滴速、液面、各种异常情况的检测，并自动调整控制输液速度，并且下位机还可以通过ＲＳ２３２总线把现场检测的数据传递到护士值班室的Ｐｃ上位机上。

上位机可以实时的读取各输液点的滴速、剩余量、剩余时间等参数，并以人性化的界面显示出来。

护士还可以通过位于值班室的上位机或者在输液点现场修改输液参数、控制输液状态。

该系统的执行机构通过驱动直流减速电机，调整电机对输液软管的加紧度实现对输液滴速的控制。

滴速小于设定速度收稿日期：２００５—１１—２ｌ；修回日期：２００５—１２—２５。

作者简介：苏英（１９８０一），女，山东人，工学硕士研究生，主要从事计算机测控技术的研究。

时，电机反转，放松对输液软管的加紧度以提高滴速；当滴速大于设定速度时，电机正转，加大对输液软管的加紧度以减小滴速。

由于控制系统的精确数学模型难以建立，在电机控制中采用了模糊控制算法。

系统总体组成框图如图１所示。

图１系统总体组成框图１．２液滴检测原理及抗干扰措施１．２．１液滴检测原理该系统采用红外检测技术，在输液管的莫菲氏滴管处检测滴速，如图２。

输液管的奠菲氏滴管处安装有水平方向的红外光发射和接收检测传感元件，红外发光二极管发出红外光，光线透过输液管照射到光电三极管，光电三极管将接收到的光信号转化成电流输出。

当药液在重力的作用下以自由落体的方式滴下，通过仪器红外观测窗口时，对红外发射器发出的红外光线产生阻挡作用，红外接收器不能接收到红外光，即：红外接收器将检测到这个阻挡信号。

由于应用于普通重力输液的输液ｒ。

１：一；＾：ｒ…一十…’Ｌ！一ｉＬ－一Ｉ｝一二ｊ一ｊ｝１ｊｊ？。

图２液体检测示意图中华测控网ｃｈｉｎａｍｃ．ｎｅｔ．ｃｎ　万方数据：！！！！：盐篁塑型重量笙型箜！！鲞管，每毫升的液滴数是固定的，这完全可由护士事先测定并设置，因而可以通过检测已输入的液滴数的方式来判断液体的剩余量，从而把检测剩余量转化为检测液滴数。

１．２．２液滴检测的抗干扰措施由于被检测液体大多为无色透明体，因此易受杂散光干扰，为提高系统的可靠性和抗干扰性，在对传感器的信号处理中采用了带反馈的二阶有源低通滤波器先对传感器信号进行低通滤波，再利用电压比较器对经过滤波的信号进行放大整形，然后将放大整形后的信号送ＭＣＵ。

２系统下位机的软件设计系统的下位机采用ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２为主控器。

ＭｓＰ４３０系列单片机为美国ＴＩ公司的产品，１６位ＲＩＳＣ结构。

它的一个显著特点就是超低功耗性，特别适合于电池应用的场合或手持设备。

除此以外，该系列单片机集成了丰富的片上资源，这使得ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２足够适应该系统的需求。

为了降低编程难度和增强程序的可读性、可维护性，本系统采用了一个免费版的适用于ＭＳＰ４３０的小型嵌入式实时操作系统的自由软件一一Ｍ４３０／ＯＳ。

该ＲＴＯＳ采用占先式内核，由汇编语言写成，占用ＲＡＭ量少，代码短小。

应用于ＭＳＰ４３０单片机系统可以实现软件设计的模块化，即将不同的功能模块编制成相应的任务，由操作系统按级别调用，不必为先执行哪个功能、后执行哪个功能而费神。

除此以外，还能更合理、有效地利用ｃＰｕ有限的资源。

系统按任务的重要程度安排任务的级别，保证最重要的任务最及时地执行。

系统中采用ＲＴＯＳ大大降低了系统的故障率，当低优先级的任务发生阻塞时，高优先级的任务的执行不会受到影响。

２．１系统任务分析该系统的具体检测和执行功能都由下位机实现。

在系统中下位机主要完成液滴检测、滴速控制、异常报警、和ＰＣ上位机的通信、检测环境温度和电池电量的任务，除此之外还需要人机接口：键盘和ＬＣＤ显示。

系统中引入Ｍ４３０／ｏＳ，可管理多个任务，并为每个任务分配优先级，根据优先级动态的切换各个任务，这样，既保证了系统实时性，又简化了程序设计。

每个任务都单独开辟一个任务栈，大小可以根据任务中现场数据、局部变量和嵌套调用的情况估算；采用占先式内核，每个任务各占一个优先级，不支持两个有相同优先级的任务；系统占用ＲＡＭ量根据：（（任务个数＋１）×４）＋６个字节计算，其中不包括任务堆栈；理论上最多可以支持１２６个任务。

任务划分框图见图３。

电机控制任务下位机软件结构滴速检测任务计时任务通信中断任务２．２系统任务介绍下面将对各任务的具体功能，实现方法进行详细介绍中华测控网ｃｈｉｎａｍｃ．ｎｅｔ．ｃｎ（１）电机控制任务。

该系统的主要功能之一就是要精确控制滴速，而滴速是通过安装在输液管软管上的直流减速电机控制。

电机正转，软管放松，滴速增加；电机反转，软管加紧，滴速减小。

直流减速电机控制不如步进电机精确，对软管的加紧度只有通过控制电机正反转的时间加以调节。

该系统采用了三输入模糊控制算法。

以给定值与本次检测的输液滴速的偏差巨、前次检测的输液速度与本次检测的输液速的差△Ｅ、前次电机的运行方向及时间△队一，为模糊控制器的输入量，以电机将运行的时间及方向△队为模糊控制器的输出量。

将输液速度误差Ｅ及误差变化率豳划分为负大（ＮＢ）、负中（Ｎ』协、负小（ＮＳ）、零（ｚＥ）、正小（Ｐｓ）、正中（ＰＭ）、正大（ＰＢ）七个模糊子集，将前次的输出量烈一，及本次的输出量△Ｕ划分为负大（ＮＢ）、负中（Ｎ』协、负小（ＮＳ）、负微小（ＮＬ）、零（ｚＥ）、正微小（ＰＬ）、正小（ＰＳ）、正中（ＰＭ）、正大（ＰＢ）９九个模糊子集，由根据离线测得的模糊控制规则表建立的模糊控制查询表决定本次控制量的输出。

（２）滴速检测任务。

该系统通过测量液滴间的时间间隔计算输液滴速。

输液过程中两液滴间的输液间隔并不完全均匀，为达到较好的控制效果和缩短调整时间，该系统在硬件方面采用了锁相环倍频技术［１］，在软件方面测量多液滴时间间隔取得平均滴速。

平均滴速的计算公式如下：ｖ—Ｎ吼Ｗ一平均滴速。

Ｎ——所测液滴数，为常数。

Ｖ≤２０时，Ｎ一２；２０＜Ｖ≤５０时，Ｎ一４；５０＜Ｖ≤１００时，Ｎ一８；Ｖ＞１００时，Ｎ一１６。

卜Ｎ液滴时间间隔。

（３）按键处理任务。

完成用户按键的检测并做出相应处理，大约每隔２００ｒｎｓ检测一次。

（４）液晶显示任务。

作为下位机的人机交互界面，显示系统摄制的参数和检测的参数，并显示系统情况。

（５）异常报警任务。

在输液中针对可能发生的一些异常，如输液停止、剩余量不足、系统电池电量不足、系统异常等发出报警信息，提醒有关人员注意。

（６）温度及电池电量检测任务。

完成环境温度及电池电量的检测，并给出相应的信息。

（７）计时任务。

实现了软时钟功能，并能记录输液已用时间和估算输液结束剩余时间。

（８）通信中断任务。

以中断方式通过串口完成与上位ＰＣ机的通信。

２．３系统任务调度任务调度是ＲＴＯｓ中执行最频繁的一个功能，也是最重要的一个功能。

应用程序调用多任务初始化后直接切换到最高优先级的任务。

每个任务执行一个循环后就执行一个延时被挂起。

任务调度就是在定时中断时对每个任务的时钟嘀嗒数减一，系统按优先级的高低检测时钟嘀嗒数先减到。

的任务，直接跳到任务切换程序。

以上任务中报警处理任务具有最高的优先级，其次是通信中断任务，其他任务处于同一级别，当较高优先级的任务有效时它会中断或占先较低优先级的任务，这就是优先级多任务处理或占先。

通过任务的优先级来调度任务，保证了任务的实时性。

任务调度在以下两种情况下进行：一是任务挂起时，二是定时中断时。

任务挂起时的任务调度一定会引起任务切换；但是定时中断时，若就绪任务正在运行，（下接第１０５８页）检测任务一构引引槲机液晶显示任务一Ｆ３按键处理任务一图　万方数据计算机测量与控制第１４卷果。