新生兒監(jiān)護(hù)病房無線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張賽 戴一鳴 張慧慧 柴蘇婉 王一哲

摘 要：體溫是臨床上用于醫(yī)療診斷和病人監(jiān)護(hù)常見且重要的生理參數(shù)。本文提出一種用于新生兒監(jiān)護(hù)病房的無線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由體溫采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和控制中心組成。體溫采集節(jié)點(diǎn)獲取的體溫?cái)?shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)直接或間接通過路由節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)上傳至護(hù)士站的控制中心，然后利用PC機(jī)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)體溫?cái)?shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、顯示和異常報(bào)警。該設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確、高效、動(dòng)態(tài)反應(yīng)體溫變化，大大減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量并提高其工作效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee;體溫監(jiān)測(cè);數(shù)字體溫傳感器

1 緒論

體溫是基礎(chǔ)生命體征之一，是判斷人體健康尤其是新生兒健康與否的重要依據(jù)。根據(jù)新生兒監(jiān)護(hù)病房要求，醫(yī)護(hù)人員2～4小時(shí)便要測(cè)一次新生兒體溫。目前新生兒監(jiān)護(hù)病房常用的體溫計(jì)主要是水銀體溫計(jì)。[1]水銀體溫計(jì)價(jià)格便宜，準(zhǔn)確度可靠，但是水銀體溫計(jì)測(cè)溫時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要5 min左右，使用時(shí)需放在新生兒肩胛下，[2]會(huì)帶來一定不適感。近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)療監(jiān)護(hù)獲得了更為廣闊的發(fā)展空間，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)療的案例也越來越多。為解決現(xiàn)有新生兒體溫監(jiān)護(hù)中存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 方法

2.1 總體方案

ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、多節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)兩種。星型網(wǎng)絡(luò)僅包含一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行雙向通信，適用于數(shù)據(jù)傳輸范圍小，節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的場(chǎng)合。而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器和終端節(jié)點(diǎn)組成，具有更加靈活的信息路由，使得信息的通訊變得更有效率，增強(qiáng)了通訊的可靠性。根據(jù)我國(guó)大部分醫(yī)院病房分布在護(hù)士站的兩側(cè)的特點(diǎn)，對(duì)于距離護(hù)士站較遠(yuǎn)的病房，需通過路由中繼。

根據(jù)ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)制，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包含三層硬件結(jié)構(gòu)：第一層是控制中心，第二層是路由節(jié)點(diǎn)，第三層是體溫采集節(jié)點(diǎn)。三層硬件結(jié)構(gòu)都需配置ZigBee模塊，設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備類型，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建?？刂浦行南喈?dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，配置ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，負(fù)責(zé)建立、管理和維護(hù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)?？刂浦行倪€帶有通信接口，用于與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與控制中心之間的交互式通信。體溫采集節(jié)點(diǎn)佩戴在新生兒身上，功能是采集新生兒體溫，并經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至控制中心，因此體溫采集節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊配置為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)加入控制中心建立的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將采集的體溫?cái)?shù)據(jù)傳送至控制中心。路由節(jié)點(diǎn)配置為ZigBee路由器，是信息的中轉(zhuǎn)站，系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)分別安裝在不同的病房門口，距離路由節(jié)點(diǎn)較近的體溫采集節(jié)點(diǎn)采集的體溫?cái)?shù)據(jù)通過相應(yīng)的路由器中轉(zhuǎn)至控制中心，再由控制中心上傳至上位機(jī)顯示存儲(chǔ)。新生兒監(jiān)護(hù)病房無線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 控制中心

控制中心是ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心，網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)管理都由其擔(dān)負(fù)，通過無線信道與路由器節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，通過有線接口與上位機(jī)通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立與控制采用德州儀器SOC芯片CC2531，是一款具有USB功能的片上系統(tǒng)解決方案。它內(nèi)置ZigBee 2007 協(xié)議棧，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee 協(xié)議，具備出色的接收靈敏度和抗干擾性，只需極少的外圍電路就能實(shí)現(xiàn) ZigBee組網(wǎng)。

CC2531芯片支持標(biāo)準(zhǔn)USB2.0 通信規(guī)范，只需簡(jiǎn)單的電路連接USB接口器件就可實(shí)現(xiàn)與PC的虛擬串口通信，減小電路的體積與設(shè)計(jì)成本。通過USB接口還可以從PC獲取5V 電源，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換成3.3V即可為CC2531提供工作電源?？刂浦行挠布驁D如圖2所示。

2.3 體溫采集節(jié)點(diǎn)

為方便攜帶以便實(shí)時(shí)測(cè)量體溫，體溫采集節(jié)點(diǎn)采用可充電電池供電，節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)要相對(duì)簡(jiǎn)單，功耗要低且體溫測(cè)量精度要高。體溫采集終端主要包含數(shù)字溫度傳感器和ZigBee終端。

2.3.1 數(shù)字溫度傳感器

傳統(tǒng)的體溫測(cè)量主要是采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC熱敏電阻）作為溫度傳感器。NTC熱敏電阻精度不高，而且電路設(shè)計(jì)復(fù)雜?，F(xiàn)如今市場(chǎng)上出現(xiàn)了大量的數(shù)字傳感器芯片，具有精度高、無需校正、無需模擬電路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。下表列出了市場(chǎng)上常見的幾款數(shù)字溫度傳感器。綜合考慮精度、功耗、接口等因素，本文選用T2545。

2.3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)即為設(shè)置ZigBee設(shè)備類型為終端的ZigBee模塊。CC2530是CC2531的姊妹設(shè)備，和CC2531的區(qū)別在于它不具有USB功能。使用CC2530芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)通用 CC2530 最小系統(tǒng)模塊，作為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與數(shù)字溫度傳感器T2545通過UART接口相連。

2.4 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)通信的中繼，用于擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的通信距離，降低終端節(jié)點(diǎn)的通信功耗。將CC2530 最小系統(tǒng)模塊模塊設(shè)置為路由器設(shè)備類型作為路由節(jié)點(diǎn)。

2.5 軟件流程

軟件設(shè)計(jì)包含驅(qū)動(dòng)程序和無線網(wǎng)絡(luò)通信程序兩個(gè)部分。驅(qū)動(dòng)程序主要是體溫采集節(jié)點(diǎn)中數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)輸出。為了簡(jiǎn)化體溫采集節(jié)點(diǎn)中T2545體溫采集的過程，T2545設(shè)置為1S檢測(cè)一次體溫?cái)?shù)據(jù)，并通過串口自動(dòng)輸出上傳至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)通信程序根據(jù)ZigBee協(xié)議棧開發(fā)。

系統(tǒng)上電后，控制中心和路由節(jié)點(diǎn)、體溫采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備初始化，三者之間搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。系統(tǒng)各部分軟件流程圖如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

控制中心負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入等，并將收到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳送至上位機(jī)存儲(chǔ)與顯示。在整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞方面，協(xié)調(diào)器就相當(dāng)于一個(gè)信息中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)將體溫采集節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)給上位機(jī)。

體溫采集節(jié)點(diǎn)上電后，ZigBee模塊進(jìn)行初始化并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，T2545在穩(wěn)定之后自動(dòng)按設(shè)置的定時(shí)時(shí)間檢測(cè)新生兒體溫，并通過串口自動(dòng)發(fā)送到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)收到串口數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳至控制中心。對(duì)于距離控制中心較遠(yuǎn)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，則通過路由節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)至控制中心。

3 結(jié)語

本文提出一種用于新生兒監(jiān)護(hù)病房的無線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用數(shù)字溫度傳感器T2545實(shí)現(xiàn)新生兒體溫的實(shí)時(shí)采集，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)上傳體溫?cái)?shù)據(jù)至護(hù)士站。與傳統(tǒng)手持式水銀溫度計(jì)人工定時(shí)測(cè)溫并記錄相比，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線、快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的體溫監(jiān)測(cè)，大大提高了體溫醫(yī)療監(jiān)護(hù)的水平，具有較高的使用價(jià)值。

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