常帥兵,池曉航,庫(kù)閣閣,李婉迪

(1.河南工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南工學(xué)院 校醫(yī)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

在醫(yī)院中,當(dāng)輸液即將結(jié)束或者需要換藥時(shí),一般是由患者家屬及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提醒醫(yī)護(hù)工作者。若發(fā)現(xiàn)不及時(shí),就可能會(huì)出現(xiàn)空氣流進(jìn)血管的危險(xiǎn)情況,若空氣誤入靜脈血管,患者可能會(huì)呼吸困難,甚至猝死;若栓子隨著血液流入心臟,則會(huì)引起急性心肌梗塞,危及患者生命。由于此類醫(yī)療問題頻繁出現(xiàn)[1],重大醫(yī)療事故也偶有發(fā)生,這使得對(duì)輸液報(bào)警器的研究漸漸成為各國(guó)醫(yī)療研究的一個(gè)主流方向[2-5]。

近年來,世界各地的科學(xué)家們提出了多種方法以應(yīng)對(duì)當(dāng)前存在的輸液難題[6-8],如探針式檢測(cè)法、電極式輸液監(jiān)控法、機(jī)械稱重法、光電傳感器檢測(cè)法、超聲波探測(cè)法和輸液注射泵等,其中輸液注射泵被寄予厚望,因?yàn)樗环矫婺軌虬芽剌斠核俣?另一方面能夠確定給藥量,即使在發(fā)生緊急狀況時(shí),也可提醒醫(yī)護(hù)人員[9]。但是,輸液泵的制造成本非常高,且體積較大,無法靈活使用,所以,目前主要還是在重癥室或者對(duì)嬰兒定量注射時(shí)使用[10]。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)采用非接觸式液位監(jiān)測(cè)方式,通過ZigBee進(jìn)行無線傳輸;提出的新型液位監(jiān)測(cè)算法能精確地估算出容器發(fā)生傾斜時(shí)的真實(shí)液位數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地判斷容器內(nèi)的液體是否過低,然后通過報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào),及時(shí)提醒工作人員采取相應(yīng)措施。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)框圖

遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩部分:硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中,硬件包括SW-1.2的非接觸式液位傳感器、MPU6050傾角傳感器、有源蜂鳴器模塊和DL-43P的ZigBee無線傳輸模塊等部分;軟件采用多傳感器數(shù)據(jù)融合的方法,將不同傾角狀態(tài)下的液位信號(hào)進(jìn)行解析,實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的非接觸檢測(cè),并在算法層面提出了一種新型液位監(jiān)測(cè)算法,可有效提高檢測(cè)精度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 輸液遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為主處理器,通過基于DL-43P的ZigBee無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)的無線傳輸,采用SW-1.2非接觸式液位傳感器和MPU6050傾角傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)視藥瓶?jī)?nèi)液面的變化,一旦液面下降到設(shè)定位置,蜂鳴器就發(fā)出警報(bào)。

2.1 單邊機(jī)主控

在本系統(tǒng)中,主控芯片采用型號(hào)為STC89C52RC的單片機(jī),以實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)測(cè)和信號(hào)報(bào)警等功能。在數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié),單片機(jī)系統(tǒng)配合新型液位監(jiān)測(cè)算法實(shí)時(shí)獲取液位的傾斜角度,以此來解決輸液藥瓶因晃動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)干擾和誤報(bào)警等問題。

2.2 非接觸式液位傳感器

在本系統(tǒng)中,4只SW-1.2非接觸式液位傳感器被編排為一組,環(huán)形套裝于輸液藥瓶的下方,實(shí)時(shí)監(jiān)視藥瓶?jī)?nèi)液面的變化。相較于單只液位傳感器,多傳感器編組有利于監(jiān)測(cè)不同方位的液位高低變化,同時(shí)配合姿態(tài)傳感器和新型液位監(jiān)測(cè)算法,估算出藥瓶發(fā)生傾斜時(shí)的液位。

2.3 ZigBee無線傳輸模塊

本系統(tǒng)使用的是基于DL-43P的ZigBee無線收發(fā)模塊,最遠(yuǎn)可以達(dá)到六千米。在本系統(tǒng)中,這個(gè)模塊的作用是將液位低限報(bào)警信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)處的信號(hào)接收端。

2.4 MPU6050姿態(tài)傳感器

本系統(tǒng)使用的MPU6050姿態(tài)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MPU6050姿態(tài)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)輸液藥瓶瓶身發(fā)生一定的傾斜時(shí),傾斜角正方向的液位會(huì)升高,反方向的液位會(huì)降低,此時(shí)單一的液位傳感器已經(jīng)不能夠準(zhǔn)確地表示當(dāng)前的液位情況,所以,本系統(tǒng)在輸液藥瓶的頂部增加了一個(gè)MPU6050姿態(tài)傳感器,該傳感器的作用是監(jiān)測(cè)三軸方向上的加速度和陀螺儀數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)通過算法進(jìn)行處理,計(jì)算出當(dāng)前的瓶身傾斜角度。MPU6050由三個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)MEMS速率陀螺儀組成,可檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度X軸、Y軸和Z軸,如圖3所示。

圖3 MPU6050三軸方向示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合

在本系統(tǒng)中,非接觸式液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用4個(gè)非接觸式液位傳感器環(huán)形套裝在藥瓶下端,并在藥瓶的頂部平面安裝有一個(gè)MPU6050傳感器,用來監(jiān)測(cè)瓶身的傾斜角度,從而解決非接觸式液位傳感器因此產(chǎn)生的誤測(cè)問題。該系統(tǒng)的示意圖如圖4所示。

圖4 非接觸式液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

以圖4中的坐標(biāo)系為例,假設(shè)瓶身在X軸向發(fā)生的傾角角度為r,如圖5旋轉(zhuǎn)后所得到新坐標(biāo)下的旋轉(zhuǎn)方程如公式1所示。

(1)

同理,假設(shè)Y、Z軸向的旋轉(zhuǎn)角度p、y,可以得出Y、Z軸向的旋轉(zhuǎn)方程:

(2)

(3)

圖5 繞X軸旋轉(zhuǎn)示意圖

3.2 新型液位監(jiān)測(cè)算法

考慮到卡爾曼濾波算法在信息融合領(lǐng)域的作用不僅僅是一個(gè)具體的算法,還是一種行之有效的系統(tǒng)解決方案,所以,在本系統(tǒng)中,提出了基于卡爾曼濾波算法和姿態(tài)融合技術(shù)的新型液位監(jiān)測(cè)算法。

首先建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程,由于傾角和傾角角速度存在導(dǎo)數(shù)關(guān)系,系統(tǒng)傾斜真實(shí)角度φ可以用來做一個(gè)狀態(tài)向量。在該系統(tǒng)中,采用加速度計(jì)估計(jì)出陀螺儀常值偏差b,以此偏差作為狀態(tài)向量得到相應(yīng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程:

近年來，海洋鉆井市場(chǎng)量?jī)r(jià)齊跌，經(jīng)營(yíng)形勢(shì)一度困難。但海洋鉆井公司想方設(shè)法籌措環(huán)保資金近200萬元為所屬十座鉆井平臺(tái)配齊專業(yè)的巖屑回收箱等設(shè)備，使環(huán)境保護(hù)工作更加專業(yè)、有效。“哪怕企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)壓力再大，我們也要把錢花在刀刃上，確保安全環(huán)保投入一分不少?！焙Ｑ筱@井公司黨委書記張居峰表示。

式中,wgyro為包含固定偏差的陀螺儀輸出角速度,φacce為加速度計(jì)經(jīng)處理后得到的角速度值,wg為陀螺儀測(cè)量噪聲,b為陀螺儀漂移誤差。令T為系統(tǒng)采樣周期得到離散系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程:

同時(shí),要估算k刻的實(shí)際角度,就k-1的角度值,根據(jù)預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的角度值,得到k時(shí)刻的高斯噪聲的方差。在此基礎(chǔ)上,用卡爾曼濾波器進(jìn)行規(guī)定運(yùn)算,直至估算出最優(yōu)的角度值。在此需知道系統(tǒng)過程噪聲協(xié)方差矩陣Q,以及測(cè)量誤差的協(xié)方差矩陣R,以便對(duì)卡爾曼濾波器進(jìn)行校正。Q與R的矩陣形式如下:

式中,qacce和qgyro分別是加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量的協(xié)方差,其數(shù)值代表卡爾曼濾波器對(duì)其傳感器數(shù)據(jù)的信任程度,數(shù)值越小,表明信任程度越高,在該系統(tǒng)中陀螺儀的值更接近準(zhǔn)確值。因此取qgyro值小于qacce的值,當(dāng)前狀態(tài)為:

X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)+BU(k)

P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)AT+Q

式中,P(k|k-1)是X(k-1|k-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差,AT表示A的轉(zhuǎn)置矩陣,Q是系統(tǒng)過程的協(xié)方差,上述即對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)更新。

X(k|k)=X(k|k-1)+K(k)(Z(k)-HX(k|k-1))

其中,H=[10],K為卡爾曼增益(Kalman Gain):

K(k)=P(k|k-1)HT/(HP(k|k-1)HT+R)

此時(shí),我們已經(jīng)得到了k狀態(tài)下最優(yōu)的估算值X(k|k)),但是為了使卡爾曼濾波器不斷地運(yùn)行下去直到找到最優(yōu)的角度值,我們還要更新k狀態(tài)下X(k|k)的協(xié)方差:

P(k|k)=(I-Kg(k)H)P(k|k-1)

其中,I為單位矩陣,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入下一時(shí)刻k-1狀態(tài)時(shí),P(k|k)即為卡爾曼濾波器的狀態(tài)更新方程。完成計(jì)算后,再次重復(fù)上一次所得的后驗(yàn)估計(jì),作為下一次計(jì)算的先驗(yàn)估計(jì),循環(huán)往復(fù)地運(yùn)算下去,最終獲得最優(yōu)的結(jié)果,卡爾曼濾波效果如圖6所示。

圖6 卡爾曼濾波示意圖

本文提出的新型液位監(jiān)測(cè)算法具體流程如下:

(1)首先,利用MPU6050傳感器獲取三軸加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù),考慮到加速度僅在靜止時(shí)刻可以得到較準(zhǔn)確的姿態(tài),而陀螺儀僅對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)變化敏感,且陀螺儀若本身存在誤差,若經(jīng)過連續(xù)的時(shí)間積分,誤差會(huì)不斷增大,因此,需要結(jié)合兩者計(jì)算的姿態(tài),進(jìn)行互補(bǔ)融合;

(2)接著,考慮卡爾曼濾波算法具備對(duì)信息的無偏優(yōu)化預(yù)估的特點(diǎn),為了抑制加速度傳感器和陀螺儀的信號(hào)漂移,結(jié)合卡爾曼濾波算法,設(shè)計(jì)出一種有效的新型液位監(jiān)測(cè)算法,將三軸方向的加速度數(shù)據(jù)和陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合,得到三軸方向上的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù);

(3)最后與真實(shí)的方向數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,進(jìn)而驗(yàn)證所提出的新型液位監(jiān)測(cè)算法的有效性。卡爾曼數(shù)據(jù)融合結(jié)果如圖7所示。

圖7 三軸方向卡爾曼數(shù)據(jù)融合結(jié)果

與傳統(tǒng)的液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)具有明顯的算法優(yōu)勢(shì),傳統(tǒng)的液位監(jiān)測(cè)方法雖然能夠監(jiān)測(cè)液位警戒數(shù)值,但是易受到環(huán)境的影響。而本系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)液位的同時(shí),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前輸液瓶身的傾斜角度,并針對(duì)傾斜角的大小不同輔以相應(yīng)的液位修正,以此來消除瓶身晃動(dòng)產(chǎn)生的外界干擾。

為了顯示有算法角度補(bǔ)償和無角度補(bǔ)償之間的不同,本文針對(duì)這兩種情況分別進(jìn)行了20組小浮動(dòng)(a<25°)晃動(dòng),獲得了不同角度的傾斜數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)誤差棒圖

由圖9可以看出,有算法進(jìn)行傾斜角度液位補(bǔ)償?shù)?0組液位數(shù)據(jù),誤差明顯小于沒有算法進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊何粩?shù)據(jù)。兩組實(shí)驗(yàn)的誤差波峰也正是傾斜角度的極大值,相應(yīng)的,傾斜角度越小,對(duì)液位的監(jiān)測(cè)也就越精準(zhǔn)。

圖9 兩組實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)比

而且由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),傾斜角度越大,誤差也就越大,這是因?yàn)楫?dāng)瓶身發(fā)生傾斜時(shí),非接觸式液位傳感器監(jiān)測(cè)到的液位信號(hào)與真實(shí)的液位發(fā)生偏差,且傾斜角度越大,偏差也就越大,因此利用算法進(jìn)行修正補(bǔ)償可以有效提高液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng),在待監(jiān)測(cè)容器上設(shè)置非接觸式液位檢測(cè)組件和傾角檢測(cè)組件,利用非接觸式液位檢測(cè)組件在不同方位檢測(cè)待監(jiān)測(cè)輸液藥瓶的液位數(shù)據(jù),利用傾角檢測(cè)組件檢測(cè)藥瓶的傾角,并對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)到的三軸角度數(shù)據(jù),采用新型液位監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,可以精確地估算出藥瓶發(fā)生傾斜時(shí)的液位數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地判斷出藥瓶?jī)?nèi)的液體是否過低,如過低即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該遠(yuǎn)程監(jiān)視報(bào)警系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、性能可靠、成本較低、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn),特別適用于各類輸液過程中的液位監(jiān)測(cè)。

(責(zé)任編輯王 磊)