基于WiFi技術(shù)的臨床體溫監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張會猛 高銳鋒 包志華

摘 要： 為了大規(guī)模實時監(jiān)測臨床患者的體溫數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)體溫異常，設(shè)計基于WiFi技術(shù)的體溫監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)控中心組成，數(shù)據(jù)采集單元包含溫度傳感器、低功耗WiFi芯片ESP8266和控制芯片STC15等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能。監(jiān)控中心通過無線接入點接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實時分析、顯示體溫數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能可靠，可以完成體溫數(shù)據(jù)的實時采集、快速分析和顯示工作，具有應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： WiFi技術(shù)； 體溫監(jiān)測； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 監(jiān)測系統(tǒng)； ESP8266； 服務(wù)器數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TN931+.3?34； TH789 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0026?04

Abstract： To conduct real?time monitoring of clinic patients′ large?scale body temperature data and find out abnormal body temperature in time， a human body temperature monitoring system based on WiFi technology was designed and implemented. The system is composed of the data acquisition unit and monitoring center. The data acquisition unit consists of temperature sensor， low power consumption WiFi chip ESP8266， control chip STC15 and other parts to realize the functions of data acquisition and sending. The monitoring center′s role is to receive human body temperature data and store it in the server database by means of wireless access points， and then analyze and display it in real time. The experimental results show that the system has a reliable performance， can accomplish real?time acquisition， rapid analysis and display of human body temperature data， and has an application value.

Keywords： WiFi technology； human body temperature monitoring； wireless sensor network； monitoring system； ESP8266； server database

0 引 言

體溫在患者監(jiān)護、醫(yī)療診斷中是一項重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，目前對臨床患者的體溫監(jiān)測主要采用人工定時測量的方式，醫(yī)護人員需要定時到病房測量每個病人的體溫，這種測量方式成本較高，而且不能持續(xù)監(jiān)測體溫的變化情況，測量過程中醫(yī)護人員與患者頻繁接觸也容易引起交叉感染[1]?！端畟R公約》指出到2020年中國將禁止生產(chǎn)和銷售含汞的體溫計[2]。為替代水銀體溫計，目前市場上存在著多種電子體溫計，這些電子體溫計大多仍然采用定時測量的測溫方式，不能滿足實時監(jiān)測體溫的要求[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳輸技術(shù)越來越多地被運用于醫(yī)療監(jiān)護領(lǐng)域，出現(xiàn)了智能手環(huán)、智能手表等多種可以實時記錄人體體溫的可穿戴設(shè)備，但是這些設(shè)備存在測量精度不高、信息保密性差的缺點，不適用于臨床實踐[4?5]。

本系統(tǒng)基于WiFi無線傳輸技術(shù)，通過NTC熱敏電阻感知人體體溫變化，利用單片機完成對溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸和通信加密。構(gòu)建基于CakePHP架構(gòu)的管理平臺，實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的遠程分析和顯示功能，同時醫(yī)護人員可以通過管理平臺對數(shù)據(jù)采集單元進行遠程控制。本系統(tǒng)可以同時大規(guī)模監(jiān)測患者的實時體溫，自動記錄并在遠程顯示體溫數(shù)據(jù)，避免醫(yī)護人員和患者之間頻繁接觸。系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地反映人體體溫變化，同時具備智能化的特點。

1 設(shè)計方案

本系統(tǒng)以臨床應(yīng)用為目標(biāo)，體溫的測量范圍在35～42 ℃之間時，測量精度要達到±0.1 ℃的醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還要滿足以下要求：體溫數(shù)據(jù)的傳輸要快速準(zhǔn)確；為保護個人隱私，需要提高數(shù)據(jù)的保密性；管理平臺操作簡單使用方便；醫(yī)護人員能夠通過管理平臺遠程控制數(shù)據(jù)采集單元；降低采集單元的功耗，進行小型化處理。針對上述需求分析，體溫監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由個人數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)控中心組成，監(jiān)控中心包括服務(wù)器和管理平臺。個人數(shù)據(jù)采集單元由使用者隨身攜帶置于腋下，采集和發(fā)送體溫數(shù)據(jù)。無線接入點通過醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至服務(wù)器。服務(wù)器用于存儲體溫數(shù)據(jù)，同時用于支撐管理平臺的運行。用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠程訪問服務(wù)器，用戶端可以實時顯示溫度曲線，并進行體溫異常報警，同時可通過平臺遠程控制采集單元的數(shù)據(jù)采集時間間隔。

2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元主要由控制單元、體溫測量模塊、無線通信模塊構(gòu)成，如圖2所示。

2.1 體溫測量模塊

體溫測量模塊用于體溫數(shù)據(jù)的采集工作，需要滿足±0.1 ℃的精度要求。常用的溫度傳感器DS18B20精度為±0.5 ℃，AD590精度為±0.3 ℃，均不滿足精度要求[6]。紅外溫度計中常用到的MLX90615傳感器在實驗檢測過程中，在與身體發(fā)生接觸時測量結(jié)果存在較大誤差，不能滿足持續(xù)監(jiān)測體溫的要求。本系統(tǒng)采用MF54系列NTC熱敏電阻，測量精度誤差小于±0.1 ℃，同時具有體積小，能夠長時間穩(wěn)定工作的特點。NTC熱敏電阻的阻值隨溫度變化按照負(fù)溫度系數(shù)變化，數(shù)據(jù)采集單元通過測溫電路將阻值變化反映在電壓參數(shù)上，電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過高精度A/D轉(zhuǎn)換后換算為溫度數(shù)據(jù)，精度能夠滿足設(shè)計要求[7?8]。

2.2 無線通信模塊

本系統(tǒng)基于WiFi無線傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)采集單元接入醫(yī)院局域網(wǎng)，實現(xiàn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信[9]。數(shù)據(jù)采集單元采用低功耗WiFi芯片ESP8266作為無線傳輸模塊的核心芯片，ESP8266擁有高性能的無線SoC（System on Chip），內(nèi)核符合IEEE 802.11 b/g/n協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，同時內(nèi)置高速緩沖存儲器，有利于提高系統(tǒng)性能，減少內(nèi)存需求。ESP8266專為移動設(shè)備設(shè)計，具備低功耗技術(shù)，待機狀態(tài)消耗功率小于1.0 mW。

2.3 控制單元

作為數(shù)據(jù)采集單元的控制芯片，STC15單片機內(nèi)置晶振，具有高速串口同時自帶高速A/D轉(zhuǎn)換器，滿足數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和發(fā)送需求。STC15單片機通過串口接收電壓參數(shù)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對數(shù)據(jù)進行進一步處理，包括溫度換算和數(shù)據(jù)加密等，最后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊。

2.4 小型化處理方案

小型化處理是數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計過程中必須要考慮的問題，本系統(tǒng)在MCU（微控制器）、通信和傳感器三個方面提供了小型化處理方案。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元受限于體積和重量限制， MCU需要具備低功耗和高度集成化的特性。數(shù)據(jù)采集單元用于監(jiān)測體溫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較小， 系統(tǒng)采用的8051內(nèi)核芯片整合了A/D轉(zhuǎn)換器，性能上能夠滿足系統(tǒng)的功能要求。目前醫(yī)院大多覆蓋了專用無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)選用WiFi通信方式，將具備低功耗和高集成性的ESP8266作為通信核心芯片。同時選用了體積小、測溫電路簡單易于集成的NTC熱敏電阻，有利于減小數(shù)據(jù)采集單元的體積。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計和監(jiān)控中心軟件設(shè)計兩部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集單元軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元需要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理以及發(fā)送工作，工作流程如圖3所示。為減少測量誤差，采用平均值濾波法計算溫度，公式如下：

體溫數(shù)據(jù)是重要的生命體征數(shù)據(jù)，反映了用戶的身體狀態(tài)，為保證數(shù)據(jù)通信的安全性，同時為了保護用戶的個人隱私，系統(tǒng)對體溫數(shù)據(jù)進行了加密操作。本系統(tǒng)采用凱撒加密算法，通過將明文中的每一個字符用其他字符替換形成密文的方式，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的加密操作。在加密參數(shù)未知情況下，非授權(quán)用戶無法獲取原始數(shù)據(jù)[10]。數(shù)據(jù)采集單元根據(jù)體溫的變化自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集的時間間隔，當(dāng)體溫處于正常范圍時，時間間隔較長，而體溫升高到預(yù)定值時會自動縮短間隔時間，系統(tǒng)同時支持用戶通過管理平臺遠程調(diào)整時間間隔。通過智能化調(diào)整時間間隔可以減少無效數(shù)據(jù)的采集，有利于醫(yī)護人員提取有效數(shù)據(jù)并延長設(shè)備使用時間。體溫監(jiān)測系統(tǒng)工作在醫(yī)院的局域網(wǎng)中，數(shù)據(jù)采集單元和服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)通信，將體溫數(shù)據(jù)發(fā)往服務(wù)器端，并從服務(wù)器中獲取反饋信息。

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心包括服務(wù)器和管理平臺兩部分，服務(wù)器通過基于TCP/IP協(xié)議的Socket實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)通信，實時接收體溫數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行解密、存儲，同時作為管理平臺的網(wǎng)站服務(wù)器進行工作。管理平臺能夠?qū)崟r分析、顯示當(dāng)前體溫數(shù)據(jù)，當(dāng)體溫出現(xiàn)異常時發(fā)出警告，同時提供歷史體溫數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，工作流程如圖4所示。

管理平臺基于CakePHP開發(fā)的網(wǎng)站應(yīng)用，用戶可通過電腦或手機自由訪問網(wǎng)站。網(wǎng)站不局限于應(yīng)用平臺，有利于提高監(jiān)測系統(tǒng)的可擴展性。系統(tǒng)將身份證號作為用戶的惟一身份標(biāo)識。圖5為醫(yī)生管理平臺界面，由圖5可知，通過身份證號直接查詢用戶的個人信息，顯示該用戶的實時體溫、歷史體溫數(shù)據(jù)等。由于每個用戶的病情表現(xiàn)不同，醫(yī)護人員可根據(jù)具體情況改變該用戶體溫數(shù)據(jù)的采集時間間隔，通過網(wǎng)站設(shè)定時間間隔后，服務(wù)器將設(shè)定值發(fā)送給數(shù)據(jù)采集單元，實現(xiàn)對采集單元的遠程控制。

由于監(jiān)控中心在工作時，同時接收來自不同采集單元的體溫數(shù)據(jù)，服務(wù)器需要對數(shù)據(jù)進行身份識別，避免發(fā)生數(shù)據(jù)沖突、混淆。數(shù)據(jù)采集單元具有惟一的產(chǎn)品編號，用戶注冊時可以將產(chǎn)品編號和身份信息同時錄入數(shù)據(jù)庫。在采集單元同服務(wù)器建立通信連接后，服務(wù)器根據(jù)惟一的產(chǎn)品編號獲取用戶信息，然后將接收到的體溫數(shù)據(jù)與對應(yīng)的用戶名一起存入數(shù)據(jù)庫。

管理平臺從數(shù)據(jù)庫中獲取最新的體溫數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁上，如果最新一條數(shù)據(jù)的錄入時間與當(dāng)前時間的間隔超過預(yù)值，網(wǎng)頁彈出采集單元掉電檢查提醒。當(dāng)服務(wù)器掉電時，采集單元多次嘗試連接服務(wù)器失敗之后，自動延長連接等待時間，失敗次數(shù)越多等待時間越長，直到連接成功。