基于物聯(lián)網技術的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)研制

王文豐，彭敦陸，顧 楠

1 上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海市，200093

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

基于物聯(lián)網技術的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)研制

【作 者】王文豐1,2，彭敦陸1，顧 楠2

1 上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海市，200093

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

物聯(lián)網作為一個較為新興的產物，越來越多地融入了我們的生活中。該文以嬰兒培養(yǎng)箱為示例，介紹了物聯(lián)網技術應用于降低醫(yī)療器械的使用風險，并通過動態(tài)管理提高管理的水平和使用的效率，提出了醫(yī)療設備物聯(lián)的一種思路。并結合物聯(lián)網及傳感器的技術與特點，找出嬰兒培養(yǎng)箱在管理、使用中的實際需求。對于醫(yī)療設備可動態(tài)進行管理，利用傳感器對風險點加以控制，以滿足醫(yī)院和患者多個方面的要求。

物聯(lián)網技術；Zigbee；無線傳感；嬰兒培養(yǎng)箱；動態(tài)管理

0 引言

醫(yī)療衛(wèi)生是關系到國計民生的重大問題。近年來醫(yī)療器械故障引發(fā)的多起不良事件引起了多方的關注，例如嬰兒培養(yǎng)箱溫度失控、報警失靈等可能導致人體傷害等事件。其中的嬰兒培養(yǎng)箱溫度失控事件也屢次成為熱門話題。根據國家藥品不良反應監(jiān)測中心數(shù)據顯示，自2002年1月至2011年10月，國家藥品不良反應監(jiān)測中心共收到有關嬰兒培養(yǎng)箱的可疑醫(yī)療器械不良事件報告332份[1]。

隨著科技和社會經濟的快速發(fā)展，如何降低醫(yī)療器械的使用風險成為了亟待解決的問題，這使得物聯(lián)網受到了極大的關注。同時物聯(lián)網醫(yī)學改變傳統(tǒng)醫(yī)療管理模式，對于醫(yī)療設備可動態(tài)進行管理，利用傳感器對風險點加以控制。可見物聯(lián)平臺的設計與開發(fā)對國民生活水平的提高和疾病治療具有重大的意義。

1 物聯(lián)網平臺介紹

本文研究了醫(yī)療設備互聯(lián)網平臺、客戶終端平臺和設備局域網系統(tǒng)。物聯(lián)網(Internet of Things, IOT)就是“物物相連的互聯(lián)網”[2]，在醫(yī)療器械適用范圍廣泛的今天，無線傳感器網絡可以應用于醫(yī)院急診室的無線監(jiān)控，幫助醫(yī)護人員做好實時的處理工作。開發(fā)研究的硬件是Intel Edison，軟件是Yocoto project定制的Linux，傳感器無線互聯(lián)使用ZigBee，硬件配合軟件實現(xiàn)記錄和報警功能。系統(tǒng)的應用具有廣泛的擴展性，適用于各個醫(yī)療器械，如：嬰兒培養(yǎng)箱、門診的輸液、臨床的護理、智能心音等等。此系統(tǒng)具有動態(tài)分配設施使用、自動記錄和超過閾值時遠程報警等功能，并且通過移動終端為醫(yī)護人員提供協(xié)助服務。其通過無線網絡可以實現(xiàn)信息實時、精準、快速的數(shù)據交互，不僅能降低醫(yī)療器械使用的風險，還提高醫(yī)療設備的使用效率。

2 醫(yī)療器械設備物聯(lián)網平臺的總體設計

本文建立了一個小型的物聯(lián)平臺如圖1所示，并通過局域網實時推送各個傳感器的信息。同時通過廣域網的軟件來做到簡單控制。各個無線傳感器通訊節(jié)點之間的信息交互采用國際通用的通訊協(xié)議，即各個智能節(jié)點，如監(jiān)測嬰兒培養(yǎng)箱的紅外傳感器、溫濕度傳感器等，將采集的信息通過無線傳感網絡上傳到系統(tǒng)網關，轉而由網關進行智能化的處理后分類記錄及按實際需求推送到各個終端。本研究主要目的是探索揭示物聯(lián)網系統(tǒng)的內在規(guī)律和本質特征，構建物聯(lián)網絡解析理論和軟件物化方法[3]，采用物聯(lián)網共性支撐技術和方法，建立物聯(lián)網運行支撐平臺原型、醫(yī)療物聯(lián)網應用驗證系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 System overall frame chart

3 系統(tǒng)硬件設計

實施的方案是采用Intel公司開發(fā)的代號：Edison的主板，安裝Yocoto Linux的嵌入式系統(tǒng)，利用無線技術鏈接各個傳感器，智能節(jié)點的無線射頻采用藍牙技術，芯片為德州儀器的CC2540。通過Edison主板自帶的WiFi與網關進行通訊。

3.1 醫(yī)療設備物聯(lián)平臺數(shù)據處理部分設計

Intel Edsion的基本結構由一顆主頻500 MHz的雙核Intel Atom CPU作為核心處理單元，同時CPU內一體封裝了1 GB的DDR3內存作為緩存單元。作為整個物聯(lián)平臺的核心。英特爾?Edison包含核心系統(tǒng)處理和連接單元，其包括處理器和處理器電源管理IC、內存、TF、WiFi 、藍牙，英特爾?Edison是作為一個模塊通過一個70針連接器與最終用戶的系統(tǒng)進行接口的對接。

3.2 醫(yī)療設備物聯(lián)平臺的硬件基礎設施

如圖2所示該系統(tǒng)包括四部分：推送服務器、英特爾?Edison 主板網關、手機和 ZigBee傳感器。該系統(tǒng)有三大主要功能：

（1）情況監(jiān)測和判斷。ZigBee傳感器可通過光傳感器和紅外線傳感器監(jiān)測嬰兒培養(yǎng)箱的實時情況，并使用ZigBee協(xié)議將該信息發(fā)送至英特爾?Edison主板。英特爾?Edison 主板可判斷培養(yǎng)箱內是否有嬰兒，最終通過 WiFi將狀態(tài)發(fā)送至推送服務器。

（2）嬰兒培養(yǎng)箱預定和智能報警。護理人員可選擇智能手機 Android 應用上狀態(tài)顯示為“閑置”的嬰兒培養(yǎng)箱。如果沒有合適的閑置嬰兒培養(yǎng)箱，可以選擇一個狀態(tài)為“占用”的嬰兒培養(yǎng)箱，然后等待該嬰兒培養(yǎng)箱閑置。當英特爾?Edison 主板判斷選定的嬰兒培養(yǎng)箱為“閑置”時，將同步傳輸?shù)椒掌?，服務器也將隨即向應用發(fā)送通知，護理人員可以第一時間知悉，從而提高嬰兒培養(yǎng)箱的使用率。另外，為全面監(jiān)控嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)正常與否，確保嬰兒的生命安全，一旦節(jié)點數(shù)據超過閾值時，服務器將即時推送報警到值班人員的手機應用，避免不良事件的發(fā)生。

（3）遠程訪問和控制。應用可通過 WiFi 從推送服務器上查詢所預定的嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)，以獲取ZigBee 傳感器（如氣體值、溫濕度、震動和噪聲）的實時狀態(tài)。

3.3 物聯(lián)平臺的通訊模塊

建立在線纜連接基礎上的傳統(tǒng)系統(tǒng)方案往往成本高、體積大、不便于攜帶，比較適合醫(yī)院重癥監(jiān)護病房的急危重病人的監(jiān)測[4]，然而對于嬰兒培養(yǎng)箱并不適用。所以本次設計的通信采用無線連接，通訊模塊采用英特爾?Edison主板集成的博通公司BCM43340模塊，模塊兼顧了安全性與兼容性。與各個數(shù)據采集節(jié)點的連接則采用ZigBee的通信模塊。其創(chuàng)建網絡時產生功耗較低，其認證設備必須具備最少兩年的電池續(xù)航時間。

3.4 物聯(lián)平臺的供電模塊

考慮到物聯(lián)平臺的廣泛適用性，設計的平臺采用直流供電加電池供電的組合模式，輸入的電壓范圍3.15 V~4.5 V。

圖2 硬件基礎設施Fig.2 Hardware infrastructure

4 軟件設計

4.1 醫(yī)療設備物聯(lián)平臺的軟件設計

對于新生兒專科醫(yī)院或者三甲醫(yī)院而言，每天都有大量新生兒需使用嬰兒培養(yǎng)箱。若要提高早產兒的存活率，嬰兒培養(yǎng)箱是否能夠高效地被使用是至關重要的。利用物聯(lián)網技術，醫(yī)護人員在任何地點、任何時間都能通過直觀的物聯(lián)平臺掌握嬰兒培養(yǎng)箱的實時情況。從而及時地調度，充分利用有限的設備資源，便于及時消毒和投入使用。本文研究的基于物聯(lián)網技術的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)，利用物聯(lián)網技術進行動態(tài)化、精細化監(jiān)控，對于加強醫(yī)院的儀器設備的使用與管理及新生兒健康保障意義重大。整體軟件架構見圖3。

圖3 軟件架構Fig.3 Software architecture

4.2 終端的通訊軟件部分

基于物聯(lián)網技術的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)將GlassFish Server 4.0 部署為推送服務器。 該推送服務器的架構，如圖4所示。

圖4 推送服務器架構Fig.4 Push server architecture

4.3 軟件工作流

應用服務器的系統(tǒng)圖，如圖5所示。該系統(tǒng)使用ZigBee傳感器來檢測嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)。英特爾?Edison 主板檢測到狀態(tài)變化后，將會通知服務器其狀態(tài)為“閑置”還是“占用”。服務器將更改數(shù)據庫內存儲的嬰兒培養(yǎng)箱狀態(tài)，并將狀態(tài)消息推送到智能手機的Android應用上，以便醫(yī)院進行重新合理分配。

圖5 推送服務器的系統(tǒng)工作流Fig.5 System workf l ow for push server

5 Edison ZigBee 系統(tǒng)

5.1 ZigBee軟件架構

英特爾?Edison 主板和 XBee 協(xié)調器之間的接口在Arduino中模擬為串行接口，運行在英特爾?Edison主板上的應用被用作 ZigBee 網關。通過網關向ZigBee 傳感器發(fā)送命令和接收響應。ZigBee 協(xié)調器還負責將傳感器報告的值傳輸至推送服務器。

5.2 ZigBee 堆棧設計

本文在 Arduino 內設計并實施了一款簡單的ZigBee 堆棧，可與 ZigBee 傳感器一起實現(xiàn)自動化測量和操作。它可在協(xié)調器模式下控制和管理光傳感器、紅外線傳感器、溫濕度傳感器、震動傳感器、噪聲傳感器和報警器傳感器。

表1 ZigBee 堆棧設計類Tab.1 Stack class for Zigbee

6 手機端（Android）應用

安卓應用系統(tǒng)圖見圖6，用戶打開該應用后，可選擇需求一臺可用嬰兒培養(yǎng)箱，也可選擇管理現(xiàn)有的嬰兒培養(yǎng)箱（或更改現(xiàn)有嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)）。當需求一臺可用培養(yǎng)箱時，用戶通過選擇使用時間段和病房地點搜索某個嬰兒培養(yǎng)箱。 若嬰兒培養(yǎng)箱閑置，護理人員可以直接預訂該嬰兒培養(yǎng)箱。若嬰兒培養(yǎng)箱被占用，用戶可以選擇查看該培養(yǎng)箱的狀態(tài)，其中包括各個傳感器的實時數(shù)據及歷史數(shù)據。當所有培養(yǎng)箱都被占用時，護理人員可按需求預定，一旦 ZigBee傳感器在指定時間內檢測到閑置的嬰兒培養(yǎng)箱，推送服務器將會第一時間向HIS系統(tǒng)應用發(fā)送通知，接收到通知的用戶便可成功預定。

圖6 安卓應用系統(tǒng)圖Fig.6 Android application system diagram

7 結論

本文通過軟硬件的設計，研制了一套成本可控，擴展性強的物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)，可提高產品風險可控度和市場競爭力，降低使用的風險，適合推廣至嬰兒培養(yǎng)箱。近年來，我國的醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）建設模式隨著計算機軟硬件技術的變化也在不斷演變[5]，此次設計可以較好地滿足多方位的需求，但同時該系統(tǒng)在堆棧和 HIS系統(tǒng)方面仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，如堆棧和 HIS系統(tǒng)的功能和 API 較少，系統(tǒng)較不穩(wěn)定等。未來可嘗試進一步的改進，降低生產成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性或增加產品的功能，如對新生兒父母提供手機端的實時視頻觀看、嬰兒體位感知等人性化功能。

[1] 莫文娟, 張學龍, 笪遠鋒. 嬰兒培養(yǎng)箱不良事件總結及國內外監(jiān)管現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代儀器與醫(yī)療, 2014, 20(2): 67-69.

[2] 黃家洺. 基于物聯(lián)網的移動醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 廣州市: 廣東工業(yè)大學, 2013.

[3] 劉旸. 物聯(lián)網中多層/跨層接入管理關鍵技術[D]. 大連市：大連理工大學, 2014.

[4] 譚杏飛, 藍惠蘭, 李艷敏, 等. 重癥監(jiān)護臨床信息系統(tǒng)在ICU的應用[J]. 國際醫(yī)藥衛(wèi)生導報, 2015, 21(8): 1147-1150.

[5] 邱明輝, 余浩, 張震江, 等. 異構系統(tǒng)協(xié)同工作的醫(yī)院信息化建設新模式[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 2016, 40(6): 418-420.

Development of Monitoring System for Infant Incubator Based on IOT Technology

【Key words 】WANG Wenfeng1,2, PENG Dunlu1, GU Nan2
1 School of Optical-electrial and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

IOT technology, Zigbee, wireless sensor, infant incubator, dynamic management

R197.39

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.007

1671-7104(2017)03-0181-04

2017-02-28

王文豐，E-mail: 188870716@qq.com

顧楠，E-mail: gn352115@126.com

【 Abstract 】IOT(Internet of things）is a relatively new technology, more and more integrated into our lives. In this paper we use infant incubator for example, introduce the application of IOT technology to reduce the risk of the use of medical devices, and through the dynamic management to improve the management level and ef fi ciency. Put forward a method of medical equipment linked. Combined with the point of IOT technology and sensor technology, we fi nd out the actual needs of the management and use of infant incubator. For the dynamic management of medical equipment, we use sensors to control risk points. The system meets the needs of the hospital and patients in many areas.