帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告─點滴安全注射管理系統
 

【作者: 徐椿樑教授、陳俊伯等人 】   2015年12月23日 星期三

瀏覽人次:【25631】
  


台灣的人口成長與老年人口增加,與壽命延長有很大的關係(現今社會醫療 技術發達,使之人口壽命延長),但是如果壽命的延長未能帶給老人較高的生活品質,反而因此纏綿病榻,因此除了關切經濟、人口的發展之外,給予老人福利與醫療問題也是未來所需重視的。隨著高齡化社會來臨,聘請看護或是送至安養中心與護理之家的老人將會逐漸增加,在醫院裡的護理人員平日工作繁忙,又得長期專注工作,此時若能夠藉由一些技術設備(科技運用在醫療方面之成果)協助,才能有效的提升醫療品質。


本作品以針對醫院病房與護理中心管理自動化的概念來設計一款「點滴自動偵測控制盒與自動化管理的系統」,本系統主要是利用「重力感測技術來偵測點滴」是否快沒有了以及「多重資料的確認」系統,再將此資訊經由異質通訊網路架構傳送至護理中心的管理伺服端,再經由警示系統通知醫護員人做點滴的更換,讓病患可以安心的修養,解決「不需擔心點滴是否會打錯以及點滴是否已打完等問題」。


研究動機

本作品創意構想來自於家人生病住院吊點滴時,每隔一段時間護理人員就需要巡房一次,當點滴快沒了,家屬又要提心吊膽擔心是否會有回血的問題,頻頻按緊急鈴催促護理師過來,為了解決此困擾,決定設計一款「點滴自動偵測盒及即時監控系統」。


目前傳統所使用的都是一般的點滴架,每當有病患需要施打點滴護理人員就需要定時的做巡房的動作,且都是透過人力來確認點滴,此時卻無法100%掌握點滴是否為該給病患施打的點滴,近幾年常發生很多因為點滴打錯造成病患過世與點滴打完卻沒人理,造成點滴回血等情況。


工作原理

本系統採用盛群HT66F70A晶片並搭配其周邊IC,使用於各個點滴偵測盒上,並使用GPIO、INT、ADC、Timer、UART等功能來完成。系統採用三階段的資料傳遞模式,三個階段分別有三個不同的裝置,由低至高分別為前端的重力感測器及控制盒、中間的中繼站、後端的伺服介面。


在醫生看完診且認為病人有需要住院與施打點滴的必要性後,病人的個人資訊會完整建立於護理站的伺服電腦中,再由護理人員導引病患住進正確病房與病床。


在病床邊的點滴架上設置一個點滴偵測器跟重力感測器,當護理人員要幫病患施打點滴時,使用手機App軟體掃描病人QR code以及點滴瓶QR code,將兩筆資料傳送至醫護中心做資料比對,確定該點滴確實屬於醫師開給此病患的點滴處方箋後,護理人員便可以放心施打點滴。


重力感測器偵測點滴的餘量,每五秒將點滴餘量傳送至醫護中心做即時的監測,當點滴餘量過低時,醫護中心就可以馬上加派護理人員前往更換點滴。


作品結構

系統架構模型

*子系統一架構模型:


使用HT66F70A微控制單晶片製作點滴偵測器。內部元件包括:HT66F70A微控制單晶片、ZigBee 2.4GHz無線通訊模組、Load cell重力感測器。


表1:點滴偵測器

微控制單晶片

HT66F70A

  1. 接收重力感測器的類比訊號,將訊號做AD轉換後傳給無線模組。
  2. 控制無線模組的接收與發送。

無線通訊模組

ZigBee

  1. 接收中繼站傳來的病患資訊。
  2. 發送點滴盒所偵測的資訊至中繼站。

重力感測器

Load cell

用於感測點滴餘量。



*子系統二架構模型:


中繼站以PXA-300嵌入式平台為主機。周邊元件包括:有線資料接收與發送、無線資料接收與發送,病患資料及點滴餘量之顯示。


表2:中繼站

嵌入式系統

Windows CE
ARM10

  1. 以異質網路架構連接點滴偵測器與伺服端。
  2. 將收到資訊整理後在送出,避免封包流失。

無線通訊模組

ZigBee

  1. 接收點滴偵測器傳來的資訊。
  2. 將中繼站資訊傳送至點滴偵測器。

有線通訊模組

Ethernet

  1. 接收伺服端傳來的資訊。
  2. 將中繼站內資訊傳送至伺服端。

軟體介面顯示

Visual Studio 2005

顯示伺服端傳送過來的資訊。



*子系統三架構模型:


伺服端以Windows作業系統的電腦為主架構,搭配使用者之智慧手機。支援Android系統與Wi-Fi無線網路通訊。


表3:伺服端

人機介面軟體

Visual Studio2010

醫師與醫護中心監測之人機介面。

無線網路通訊

Wi-Fi

與醫護人員手機連線

智慧手機

Android系統

搭配我們自行設計APP軟體,進行QR code掃描與資料比對結果之接收。



系統環境模型與架構

1.伺服端與中繼站之有線訊號傳輸流程


(1)伺服端將病患資訊於SQL sever資料庫內儲存資料。


(2)以Ethernet有線網路架構將資料傳送至中繼站。


2.中繼站與點滴偵測器之無線訊號傳輸流程


(1)中繼站將伺服端傳送過來的資料做整理。


(2)確認封包無流失後將資料送至無線模組發送給點滴偵測器。


3.中繼站與點滴偵測器之無線訊號傳輸規則


每一筆資料傳送18個ASCLL字元,辨識點滴餘量、點滴藥品、姓名、性別、病歷號、房碼,如圖1所示。



圖1 : :通訊協定架構圖
圖1 : :通訊協定架構圖

系統元件間流程設計

系統元件根據系統控制流程分為四大點,其系統控制流程圖,如圖2所示。


*伺服端將儲存於醫院Data Base中之病患資料以Ethernet有線網路方式傳送至中繼站


1.提供中繼站顯示病患資料有助於病患家屬探病時可快速找到家屬所在之床位。


*伺服端與醫護人員手機APP軟體連線,並於伺服端內進行以下動作


1.接收資訊將於伺服端內資料庫之病人與點滴資訊進行比對。


2.將比對結果回傳至醫護人員手機APP軟體中顯示。


*中繼站接收點滴偵測器傳來的點滴資訊


1.將點滴餘量顯示於中繼站螢幕上,如圖2所示


*伺服端將接收由中繼站傳回之點滴偵測器所偵測的點滴餘量


1.顯示病患點滴餘量。


2.掌握病患點滴之即時狀況。


圖2 : :主系統控制流程圖
圖2 : :主系統控制流程圖

系統元件內設計-軟體架構與模組設計

*點滴偵測器元件內模組設計


點滴偵測器元件內各模組使用晶片運算資源的優先權順序:(1) 抓取Load cell感測之類比訊號 (2) 類比訊號轉換數位訊號 (3) 無線資料傳送 (4) 百分比LED燈號顯示。


*點滴偵測器元件流程設計


點滴偵測器採自動偵測系統運作,由Load cell重力感測器量測點滴重量,透過單晶片做內部ADC轉換,並亮起目前點滴餘量百分比相對應之LED數量,最後並將訊號透過異質網路架構傳送至醫護中心,如圖3所示。



圖3 : :點滴偵測器流程圖
圖3 : :點滴偵測器流程圖

*點滴偵測器內元件軟體架構設計


點滴偵測器使用的硬體、韌體、應用由下而上。如圖4其中硬體層面包括:HT66F70A微控制單晶片,LED,Load cell重力感測器,ZigBee無線模組。韌體層面包括:ADC撰寫、I/O撰寫、Timer撰寫及使用I/O模擬UART功能之撰寫。應用層面包括:重力感測,無線傳送。



圖4 : :點滴偵測器模組架構圖
圖4 : :點滴偵測器模組架構圖

*中繼站元件內模組設計


中繼站元件內各模組片運算資源的優先權順序:(1) 無線資料接收 (2) 點滴資訊顯示 (3) 有線資料傳送 (4) 有線資料接收 (5) 病患資訊顯示。


*中繼站元件流程設計


1.接收伺服端傳送的病患資料,顯示病患資料於螢幕上。


2.接收點滴偵測器傳送的點滴餘量訊息,顯示點滴餘量於螢幕上。


3.傳送點滴餘量資訊給伺服端。


圖5 : :中繼站控制流程圖
圖5 : :中繼站控制流程圖

*中繼站內元件軟體架構設計


點滴偵測器使用的硬體、軟體、應用由下而上。其中硬體層面包括:PXA300嵌入式平台、ZigBee無線模組、Ethernet乙太網路(如圖7所示)。軟體層面包括:Visual Studio 2005之撰寫。應用層面包括:觸控感測、無線資料接收、有線資料接收與傳送、資料管理。



圖6 : :中繼站模組架構圖
圖6 : :中繼站模組架構圖
圖7 : :中繼站搭配Windows CE系統之實體圖
圖7 : :中繼站搭配Windows CE系統之實體圖

系統元件設計實作

系統設計元件根據表4之要點,分為五大部分。


表4

點滴偵測器電路圖設計

點滴偵測器韌體撰寫

伺服端與中繼站之圖片設計

伺服端軟體設計

中繼站軟體設計

Android系統之智慧型手機軟體設計

點滴偵測器與中繼站通訊協定設計

中繼站與伺服端通訊協定設計

點滴偵測器電路板實踐



1.病房端架構:


據圖3-9的控制概念圖來設計硬體電路(如圖10所示),主要接收由護理站所傳送之病人姓名、性別、病床號、病房號、點滴成分、淨重與相對應之餘絀量給控制晶片,並將點滴資訊以LED顯示,並將點滴偵測的結果回傳至護理站,並通知護理人員進行更換動作。


2.點滴偵測控制架構:


Load cell 重力感測器主要負責偵測點滴的重量,由於其電壓過於微小,因此在重力感測器上外接一電壓放大電路,將重力感測器的電壓放大至 0V~3.3V 之間,並將其類比電壓透過類比數位轉換電路轉換成數位訊號再將其以LED上顯示,電路架構設計如圖8、圖9所示。



圖8 : :點滴偵測系統概念圖
圖8 : :點滴偵測系統概念圖

圖9 : :點滴偵測控制概念圖
圖9 : :點滴偵測控制概念圖

3.雙電源隔離設置:


如圖10電路所示,Load Cell Sensor的電源與類比輸出訊號需做雙電源隔離進行設計,採用差分類比訊號輸出轉至OPA小訊號放大電路進行訊號處理,前端經由不同uF電容進行雜訊濾波抑制,本電路Ripple抑制在約Vp-p 17mV以內,接至HT66F70A單晶片ADC Function 處理,透過HT66F70A單晶片韌體進行多次取樣及平均化處理,最後經由UART 架構連接Zigbee建構無線資料傳輸。至於實際吊掛點滴袋經由HT66F70A韌體設置LED依相對應重量值改變LED顯示數量,作為臨床醫護人員快速判斷點滴餘量準位。



圖10 : :點滴控制盒完整電路圖
圖10 : :點滴控制盒完整電路圖

4.無線傳輸設計:


目前業界產品近端網路最大宗的產品為使用藍牙無線,但於本系統需要做到1對多的無線拓樸資料傳遞,故藍牙現行技術最多只能做到1對7,無法同步發送超過1對7,另外仍有產品採用低頻RF傳送資料,但因低頻RF跳頻技術遠低於2.4GHz高頻,更容易受到相同頻道時之資料衝突問題,我們採用2.4GHz ZigBee系統,解決藍牙無法一對多的問題,ZigBee架構最多可做到連結1對65535的Device,並且可增設Router 角色做為中繼資料傳遞節點,可將資料傳遞的距離拉長,2.4GHz每秒可做1600次跳頻技術,也大大解決了低頻RF的問題。


5.QR code顯示與手機APP比對:


目前上面上的管理系統大多是以RFID的方式比對,雖然能減輕醫護人員的負擔,但因為採用RFID的方式其成本對醫院來說也成為一種負擔,因此,我們利用QR code的低成本、儲存字元高與抗汙損程度高的特性,加上現今社會的智慧手機普及率接近於人手一機,故撰寫一手機APP透過掃描QR code的方式來進行比對,即可以達到一樣的效果卻能大幅度降低相關成本,進一步提高整體醫療品質。


測試方法

測試方式我們先以各部分進行單獨測試,單獨測試都Pass後再進行整合測試,並將測試結果以下表顯示,各系統測試方式如下:


1.ZigBee無線傳輸測試:


我們先以單一組ZigBee上電測試確認賜福有讀取到數值後逐漸擴充組數來測試是否有數據遺失的問題。


2.ZigBee無線模組連線距離測試:


我們測試溫度為室溫25°C,濕度為70%,將ZigBee以1m的距離開始並逐漸加1m的方式測試。


3.ADC的輸入信號測試:


我們分別準備不同重量的受測物,分別為47g、100g、250g、500g與2kg作測試並以示波器測量其數值並將其數值透過運算確認是否與受測物相同。


4.Timer韌體程式偵錯及測試:


以碼表計時實際動作時間是否預期的時間是否相同。


5.I/O模擬UART韌體程式偵錯及測試:


利用XCTU來接收MCU的UART所傳送過來的數值並判斷是否有遺失或錯誤產生


6.伺服端與中繼站之連線、傳送與接收測試:


將系統中繼與伺服連結,確認是否有連線問題產生


7.Android系統之手機APP功能測試:


執行手機APP並確認是否能掃描QR code並能從中讀取其代碼。


8.手機APP與伺服端之連線、傳送與接收測試:


將系統連線至伺服端,測試是否有問題產生,並手動模擬輸入一個正確的代碼與錯誤的代碼,並將其代碼分別傳送至伺服端,確認伺服是否有接收到其資料。並在之後確認手機是否有接收到伺服端回傳的比對結果資訊。


9.Load cell落摔測試:


將load cell掛在點滴架上並以任何角度、固定力道的方式推倒後扶起並掛上重物測試是否與實際相同。


10.LM358放大器ripple校正測試:


在LM358的輸出上接陶瓷電容、電解電容與固態電容,以不同的排列組合方式接上並以示波器量測其波形並比較何種組合之雜訊ripple值為最小。


11.完整系統整合測試:


將系統完整整合之後依照流程完整操作一次,確認是否有問題產生。


表5:整合測試的結果表

測試項目

測試結果

ZigBee無線模組連線測試

PASS

ZigBee無線模組連線距離測試

PASS

點滴偵測器:ADC的輸入信號測試

PASS

點滴偵測器:Timer韌體程式偵錯及測試

PASS

點滴偵測器:I/O模擬UART韌體程式偵錯及測試

PASS

點滴偵測器:韌體程式整合測試

PASS

點滴偵測器搭配Load cell整合測試

PASS

伺服端與中繼站之連線、傳送與接收測試

PASS

中繼站與點滴偵測器之連線、傳送與接收測試

PASS

Android系統之手機APP功能測試

PASS

手機APP與伺服端之連線、傳送與接收測試

PASS

Load cell落摔測試

PASS

LM358放大器ripple校正測試

PASS

完整系統整合測試

PASS



結論

本系統使用上不分點滴瓶本身的外觀及重量即可透過HT66F70A單晶片設計精準推估點滴的餘量,整體成本與電路設計效益非常高,操作簡易方便,減少護理人員的巡房次數及提升工作效率,對於病患與病患家屬而言更是一大保障。隨著高齡化的來臨近年政府極力提倡智慧醫療,各大科技廠也紛紛投入醫療研究,智慧醫療慢慢的成為台灣科技業的熱門話題。醫學界人士認為,結合ICT科技帶來的智慧醫療,將為醫療領域帶來「正確性」,並「降低醫療糾紛」、「提升醫療品質」以科技提升病患照護品質。


(作者為聖約翰科技大學 電機工程系徐椿樑教授及學生陳俊伯、何正德、吳翊安、林柏宏)


參考文獻

1.鍾啟仁,微處理機實習邁向AMA中級先進微控制器應用認證使用Holtek 8位元晶片。


2.Marvell PXA300使用手冊,華亨股份有限公司。


3.陳會安,Microsoft Visual Basic 2008資料庫程式設計範本教本。


4.蔡文龍、林義証、張志成、何嘉益,Visual C# 2012學習經典,2013。


5.張義和,主流電腦輔助電路設計 Protel 99SE – 拚經濟板,2005。


6.孫宏明,Android 4.X 手機/平板電腦程式設計入門、應用到精通,2012。


7.IEEE 802.15.4 標準和ZigBee協定規範。Microchip ZigBee-2006 Residential Stack Protocol


8.Jung, J.Y, Lee, J.W. “ZigBee Device Access Control and Reliable Data Transmission in ZigBee Based Health Monitoring System”, Advanced Communication Technology, ICACT 10th International Conference on, Vol. 1, pp 795-797, 2008.


9.Peng Ran, Mao-heng Sun, You-min Zou, “ZigBee Routing Selection Strategy Based on Data Services and Energy-Balanced ZigBee Routing “, Services Computing, 2006. APSCC '06. IEEE Asia-Pacific Conference on, pp400-404, 2006.


相關文章
政府標案只重價格 安控系統不過是紙老虎
超-虛實體感互動系統設計
基於網路實體系統之燈聯網
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告-綠色養成專家
結合吹風機之多功能裝置
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
Platform Manager Devices
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原廠/品牌:Lattice
供應商:Lattice
產品類別:Power
  相關新聞
» Next Billion與Ocean Protocol合作 推動印度鄉村數據共享
» 工業資安潛在風險不容小覷 趨勢科技呼籲業者應檢視既有缺口
» 各方技術推進 加速C-V2X車聯網發展
» 史陶比爾不只機器人 展出先進連結解決方案
» 智能化加值 助及早預測加工設備異常
  相關產品
» 意法半導體推出應用於下一代汽車領域架構的安全即時微控制器
» 貿澤供貨MAX5995B PMIC適用於802.3af/at/bt乙太網路供電
» 慧榮科技推出首款企業級SATA SSD控制晶片解決方案
» 東芝車用影像識別系統晶片整合深度神經網路加速器再升級
» 技嘉接力發佈GeForce GTX 1660晶片顯示卡
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw