一种基于RFID无源感知的输液液位监测系统的制作方法

本实用新型涉及RFID无源感知技术，具体是一种基于RFID无源感知的输液液位监测系统。

背景技术：

静脉输液作为当前临床的一种主要治疗手段，在输液过程中需要及时地对输液状态(如水位、流速等)进行监控，来防止因水位、流速变化等原因导致的血液回流、静脉肿胀等意外事故。然而，当前主要通过医护人员定期巡查或病人主动反馈来实现对输液的监控，鲜有通过智能化、自动化的技术手段来实现精确实时的输液感知。当前的静脉输液解决方案主要包括如下几种：1)基于称重计量监控：基于电子挂秤称重的方式对输液瓶和输液袋的水位进行监控，并通过蓝牙将感知数据传输至服务器进行处理。这种方式测量精度低，误差大，无法检测出静脉肿胀等意外事件，并且需要持续更换电子秤的电池，维护麻烦。2)基于红外感应监控：基于红外感应来对输液瓶和输液袋的水位进行监控，并在输液完成后本地进行报警提示。这种方式无法进行提前预警，无法检测出静脉肿胀等意外事件，并需要持续更换红外感应器的电池，维护麻烦。

因此，基于上述考虑，有必要提出一套创新的输液液位监测系统及其工作方法，来充分提升液位感知的精度，降低系统的部署成本和维护开销。

技术实现要素：

本实用新型提出一种基于RFID无源感知的输液液位监测系统及其工作方法，采用非接触式感知技术，无需接触液体，通过提取智能感知标贴的反射信号特征实现精确感知。具体来说，该系统和方法基于液位感知一体机通过感知天线对粘贴在输液瓶/输液袋上的无源液位感知标贴实时获取感知信号。液位感知一体机基于液位监测算法进行本地处理，并将感知结果发送到服务器端。护理人员通过客户端即可访问服务器获取其所管辖区域的所有输液的感知情况。

基于RFID无源感知的输液液位监测系统，其特征在于包括：

1)液位感知标贴：基于RFID的无源传感器，由至少两个无源的RFID标签组成标签阵列，粘贴于输液容器外壁，两个RFID标签均以水平方式进行部署，两个标签之间存在一定的间隔，其中，最下面的标签为目标标签，最上面的标签为参考标签。

2)液位感知一体机：内置RFID阅读器和天线、以及嵌入式处理器和网络交换模块，周期性扫描液位感知标贴上的两个RFID标签，从RFID标签获取标签ID信息和信号特征，并计算输液容器中液位状态，周期性上传到服务器平台。

3)服务器平台：具备计算、存储和通信能力的计算机系统，周期性地从液位感知一体机获取每个液位感知标贴的感知结果，并存储到数据库中；

4)液位感知客户端：具备计算和通信能力的计算机系统，通过互联网访问服务器平台，向用户展示指定输液容器的当前液位状态，一旦容器液位到达指定位置就进行预警，并可以通过发送指令来重启或关闭液位感知一体机，这里所述的输液容器中液位的状态，即判断最上方液面位置是否达到指定位置。

基于RFID无源感知的输液液位监测系统中，所述的液位感知一体机，其特征在于包括：

1)RFID阅读器：能够发送和接收RFID信号的计算机系统，通过阅读器天线获取RFID标签信号，并提取标签信息及信号特征，包括RFID标签的ID、阅读率、信号强度信息，RFID阅读器及其RFID标签为超高频规格，频率为860-960MHz，RFID阅读器通过EPC Global C1G2协议读写RFID标签。

2)阅读器天线：一种线性极化或者圆极化天线，在空间中发射连续波信号，并实时接收RFID标签返回的标签信息，传输给RFID阅读器；

3)嵌入式处理器：具备计算、存储和通信能力的嵌入式系统，通过网络交换设备从RFID阅读器获取RFID标签信号，运行液位监测算法，计算输液容器中液位状态，并将相应的数值通过网络交换模块周期性上传到服务器平台；

4)网络交换模块：用于处理RFID阅读器、嵌入式处理器以及服务器平台之间的信息传输。

此外，一种基于RFID无源感知的输液液位监测工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用户将液位感知标贴粘贴在输液容器外壁，并将输液容器与液位感知一体机阅读器天线靠近，使得液位感知一体机扫描到新的液位感知标贴，对相应的输液容器在系统中进行登记；

2)将贴有液位感知标贴的输液容器置于液位感知一体机阅读器天线的有效扫描范围内，液位感知一体机通过RFID阅读器和天线持续扫描液位感知标贴上的两个RFID标签，获取RFID标签的ID信息以及信号特征信息，包括有效读取率和信号强度值；

3)液位感知一体机通过通过嵌入式处理器运行液位监测算法，计算输液容器中液位状态，并将相应的数值通过网络交换模块周期性上传到服务器平台；

4)服务器平台周期性地从液位感知一体机获取每个液位感知标贴的感知结果，并存储到数据库中；

5)液位感知客户端通过互联网访问服务器平台，向用户展示指定输液容器的当前液位，一旦容器液位到达指定位置就进行预警，提示相关人员进行处理。

在这其中，所述步骤3)中的液位监测算法，包括以下步骤：

1)输液容器在系统中进行登记后等待t1秒，阅读器进行功率步进调整，从最小功率线性变化到最大功率，对每一个对应功率，检测参考标签读取率，确认能够识别参考标签的临界功率pr，设定功率pr-e为当前功率,e默认值为2dBm。

2)持续扫描参考标签，当读到n次后(n默认值为5)，阅读器进行功率步进调整，从最小功率线性变化到最大功率，对每一个对应功率，检测参考标签读取率，确认能够识别参考标签的临界功率pt。

3)取pt和pr的均值作为当前的功率，当连续m次读到目标标签，进入倒计时进行报警，m默认值为5。

本实用新型提供的一种基于RFID无源感知的输液液位监测系统及其工作方法具备如下特点：

1)高精度实时液位监测：对输液瓶/输液袋的水位进行高精度的监测，监测误差低于1cm，并进行实时性状态更新。

2)输液状态智能提醒：采用智能处理算法，实时对液位进行监测，能够提前进行倒计时，方便护士准备。

3)降低维护开销：基于廉价的RFID无源标签进行感知，感知标贴成本能够被最小化控制，此外，无源设备无需更换电池，充分降低维护开销。

4)不污染输液：该系统采用非接触式感知方案，只需粘贴在瓶身进行感知，感知过程中不会对输液进行污染。

附图说明

图1为基于RFID无源感知的输液液位监测系统架构图；

图2为基于RFID无源感知输液液位监测系统处理流程图；

图3为液位感知标贴参考标签/目标标签部署示意图；

图4为客户端交互界面示意图；

图5为液位监测算法流程图；

其中，1-液位感知标贴，2-阅读器天线，3-RFID阅读器，4-网络交换模块，5-服务器平台，6-嵌入式处理器，7-客户端，8-互联网。

具体实施方式

图1是基于RFID无源感知的输液液位监测系统架构图，主要由液位感知一体机、液位感知标贴、服务器平台、以及客户端组成。其中，液位感知标贴是基于RFID的无源传感器，由至少两个无源的RFID标签组成标签阵列，RFID标签可以由多个并排组成，也可将本实用新型液位检测系统应用于多种液位测量场景中；为了方便对其原理进行说明，本实施例采用两个RFID标签对输液罐中的液位进行检测，将RFID标签粘贴于输液容器外壁；液位感知一体机是液位感知标贴反馈信号的接收器，内置RFID阅读器和天线、以及嵌入式处理器和网络交换模块，周期性扫描液位感知标贴上的两个RFID标签，从RFID标签获取标签ID信息和信号特征，并计算输液容器中液位高度，周期性上传到服务器平台；服务器平台是具备计算、存储和通信能力的计算机系统，它可以是互联网上的云平台系统，也可以是局域网内的服务器系统，服务器平台周期性地从液位感知一体机获取每个液位感知标贴的感知结果，并存储到数据库中；液位感知客户端是具备计算、存储和通信能力的计算机系统，如安装客户端应用的台式机电脑或笔记本电脑，通过互联网访问服务器平台，向用户展示指定输液容器的当前液位状态，一旦容器液位到达指定位置就进行预警，并可以通过发送指令来重启或关闭液位感知一体机。

此外，液位感知一体机由RFID阅读器、阅读器天线、嵌入式处理器、以及网络交换模块这些组件组成。其中，RFID阅读器是能够发送和接收RFID信号的计算机系统，通过阅读器天线获取RFID标签信号，并提取标签信息及信号特征，包括RFID标签的ID、阅读率、信号强度信息；阅读器天线是一种线性极化或着圆极化天线，在空间中发射连续波信号，并实时接收RFID标签返回的标签信息，传输给RFID阅读器；嵌入式处理器是具备计算、存储和通信能力的嵌入式系统，通过网络交换设备从RFID阅读器获取RFID标签信号，运行液位监测算法，计算输液容器中液位状态，即判断最上方液面位置是否达到指定位置，并将相应的数值通过网络交换模块周期性上传到服务器平台；网络交换模块是一种交换机或者路由器，用于处理RFID阅读器、嵌入式处理器以及服务器平台之间的信息传输。

图2是输液液位监测系统处理流程图。基于上述监测系统本实用新型还提供对应的液位监测工作方法，该方法包括以下步骤：

1)用户将液位感知标贴粘贴在输液容器外壁，并将输液容器与液位感知一体机阅读器天线靠近，使得液位感知一体机扫描到新的液位感知标贴，对相应的输液容器在系统中进行登记；

2)将贴有液位感知标贴的输液容器置于液位感知一体机阅读器天线的有效扫描范围内，液位感知一体机通过RFID阅读器和天线持续扫描液位感知标贴上的两个RFID标签，获取RFID标签的ID信息以及信号特征信息，包括有效读取率和信号强度值；

3)液位感知一体机通过通过嵌入式处理器运行液位监测算法，计算输液容器中液位状态，并将相应的数值通过网络交换模块周期性上传到服务器平台；

4)服务器平台周期性地从液位感知一体机获取每个液位感知标贴的感知结果，并存储到数据库中；

5)液位感知客户端通过互联网访问服务器平台，向用户展示指定输液容器的当前液位，一旦容器液位到达指定位置就进行预警，提示相关人员进行处理。

进行输液监测时，由医护人员将液位感知标贴粘贴在输液容器外壁，并将输液容器与液位感知一体机阅读器天线靠近，对新的输液袋进行识别登记，将其置于液位感知一体机阅读器天线的有效扫描范围内。液位感知一体机通过RFID阅读器和天线持续扫描液位感知标贴上的两个RFID标签，获取RFID标签的ID信息以及信号特征信息，包括有效读取率和信号强度值，通过嵌入式处理器运行液位监测算法，计算输液容器中液位状态，即判断最上方液面位置是否达到指定位置，并将相应的数值通过网络交换模块周期性上传到服务器平台。服务器平台周期性地从液位感知一体机获取每个液位感知标贴的感知结果，并存储到数据库中。护士站的医护人员基于安装在计算机上的液位感知客户端，通过互联网访问服务器平台，客户端平台向用户展示指定输液容器的当前液位状态，一旦容器液位到达指定位置就进行预警，提示相关人员进行处理。

图3是液位感知标贴参考标签/目标标签部署示意图，其中，两个RFID标签均以水平方式进行部署，两个标签之间存在一定的间隔，最下面的标签为目标标签，最上面的标签为参考标签，目标标签所对应的位置为输液液位监测的指定液位。

图4是客户端交互界面示意图。其中，(1)为系统状态栏，主要显示系统名称、工作状态，(2)为输液情况显示栏，主要显示多个输液容器所对应的水位、床号、药品信息、剩余时间等，(3)为任务提醒窗口，主要显示当前已经完成输液的任务提醒、处理次序排列，(4)为警报弹窗，主要显示正在完成输液的弹窗信息、声音警报。

图5是液位监测算法流程图。液位算法流程主要包括两次功率步进，第一次功率步进确定目标标签的激活功率上限，第二次功率步进确定目标标签的激活功率下限，最终阅读器功率设为激活功率上限和下限的均值。具体算法流程如下：1)等待t1秒，阅读器进行功率步进调整，从最小功率线性变化到最大功率，对每一个对应功率，检测参考标签读取率，确认能够识别参考标签的临界功率pr，设定功率pr-e为当前功率,e默认值为2dBm。2)持续扫描参考标签，当读到n次后(n默认值为5)，阅读器进行功率步进调整，从最小功率线性变化到最大功率，对每一个对应功率，检测参考标签读取率，确认能够识别参考标签的临界功率pt。3)取pt和pr的均值作为当前的功率，当连续m次读到目标标签，进入倒计时进行报警，m默认值为5。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所述方法，或直接或间接运用在其他相关的技术邻域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。