基于ESP8266的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：疫情常態(tài)化背景下，患者臨床信息采集工作量大增，醫(yī)療系統(tǒng)服務(wù)面臨巨大壓力。物聯(lián)網(wǎng)能將孤立的個(gè)體連接，實(shí)現(xiàn)物物相連，在云端進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其在信息采集與傳輸領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，成為緩解壓力的首選方案。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于RFID和WiFi技術(shù)的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)傳感終端，選用STM32單片機(jī)作為控制核心，以血壓數(shù)據(jù)為例，可實(shí)現(xiàn)患者身份信息采集和血壓數(shù)據(jù)的采集與上傳。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果，對(duì)于提升醫(yī)護(hù)人員工作效率，優(yōu)化老百姓的就醫(yī)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)護(hù)患數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，助推智慧醫(yī)院建設(shè)等方面有著積極的意義。

關(guān)鍵詞：ESP8266;醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng);RFID;STM32

引言：

隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)生活質(zhì)量不斷提升，人民美好生活需要日益增長(zhǎng)，在醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)領(lǐng)域的需求，尤為迫切。然而快速的城市化進(jìn)程，使得公共服務(wù)面臨巨大壓力，特別是在疫情常態(tài)化背景下，現(xiàn)階段的醫(yī)療系統(tǒng)不堪重負(fù)。在民眾眼中，就醫(yī)體驗(yàn)下降，醫(yī)療服務(wù)體系的服務(wù)質(zhì)量逐年下滑。主要原因在于患者臨床生理參數(shù)（如體溫、血壓、脈搏、呼吸等）采集和記錄，大多以手工和半自動(dòng)化方式為主，效率低下;在病患數(shù)量增大時(shí)，信息實(shí)時(shí)采集的需求無(wú)法得到滿足，服務(wù)質(zhì)量大打折扣。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為解決上述問(wèn)題帶來(lái)了希望，物聯(lián)網(wǎng)融合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，可以將各種不同形態(tài)的“物”接入到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳輸和智能化控制，在智慧醫(yī)院建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文將選擇臨床血壓采集為例，結(jié)合嵌入式、RFID、WiFi等物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，將患者身份識(shí)別、血壓采集與數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)裙δ苷蠟橐惑w，初步構(gòu)建智能醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用模式。

1 終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框架

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的結(jié)合，必須要以信息采集和傳輸?shù)膶?shí)際需求為切入點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，血壓計(jì)作為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)，具備數(shù)據(jù)信息采集與通信功能，這里的數(shù)據(jù)信息包含患者的身份信息以及臨床血壓數(shù)據(jù)信息。在使用中，血壓計(jì)首先采集就診標(biāo)簽中的患者個(gè)人信息，利用傳感器采集患者血壓數(shù)據(jù)，再通過(guò)WiFi技術(shù)連接網(wǎng)絡(luò)，將患者個(gè)人信息與血壓數(shù)據(jù)綁定，發(fā)送到服務(wù)器;借助專業(yè)應(yīng)用軟件，可進(jìn)一步將數(shù)據(jù)保存至醫(yī)院的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1 ?RFID信息采集

患者的臨床生理數(shù)據(jù)的采集，必須與患者個(gè)人身份信息捆綁匹配。在當(dāng)前的醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)中，患者身份信息通常通過(guò)使用醫(yī)保卡、診療卡等進(jìn)行識(shí)別。采用RFID技術(shù)，在臨床數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，實(shí)時(shí)采集標(biāo)簽信息，可以一定范圍內(nèi)避免造成患者與生理參數(shù)匹配錯(cuò)誤。

Mifare S50標(biāo)簽是目前診療卡、腕帶等常用的非接觸式IC卡，還廣泛應(yīng)用于交通、門禁、校園一卡通等多個(gè)領(lǐng)域。每張卡片上唯一的號(hào)碼ID以及多重認(rèn)證機(jī)制讓系統(tǒng)遠(yuǎn)離安全威脅。

本文采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，PN532作為RFID讀寫芯片，工作于MIFARE讀寫器模式。它們之間的接口如圖2所示。

1.2 血壓采集電路

本文采用的壓力傳感器型號(hào)為MPS20N004D-S?？紤]到血壓計(jì)對(duì)抗干擾性能、處理與傳輸速度的要求，后端采用專用24位ADC芯片HX711實(shí)現(xiàn)放大、穩(wěn)壓以及AD轉(zhuǎn)換功能。

HX711可實(shí)現(xiàn)差分輸入，片內(nèi)集成穩(wěn)壓電源、低噪聲可選放大器、片內(nèi)時(shí)鐘震蕩器等外圍電路，與后端實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單串口通訊集成度高，響應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)。

1.3 基于ESP8266的WiFi接入設(shè)計(jì)

WIFI模塊選擇ESP8266模塊，該模塊的處理器為樂(lè)鑫公司研發(fā)的專用于物聯(lián)網(wǎng)的一款芯片。用戶可借助該模塊為醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)添加聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)院內(nèi)無(wú)線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)采集信息的上傳。

該模塊采用串口與主控芯片通信，接口如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，模塊工作于STA（終端）模式，血壓計(jì)節(jié)點(diǎn)將借助WiFi模塊接入院內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，患者信息和血壓數(shù)據(jù)將自動(dòng)上傳到醫(yī)院信息系統(tǒng)的服務(wù)器中，自動(dòng)轉(zhuǎn)錄到各類護(hù)理記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析可生成各種信息圖表，對(duì)患者異常情況進(jìn)行預(yù)警，并輔助醫(yī)生的相關(guān)決策。

2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

STM32作為本終端節(jié)點(diǎn)的主控芯片，控制軟件部分主要由RFID讀取模塊、壓力傳感器讀取、OLED 顯示、WIFI模塊聯(lián)網(wǎng)、外圍設(shè)備控制幾個(gè)程序模塊組成。程序開始后先要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入RFID標(biāo)簽監(jiān)測(cè)控制程序，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)患者數(shù)據(jù)的采集需求，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制部分程序流程圖如圖 4 所示。

為降低功耗，在參數(shù)測(cè)量期間，WiFi模塊沒(méi)有供電。數(shù)據(jù)測(cè)量完成后，STM32啟動(dòng)WIFI通信，實(shí)現(xiàn)加網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送等服務(wù)。

服務(wù)器在接收數(shù)據(jù)源之后，會(huì)自動(dòng)對(duì)患者的信息進(jìn)行格式化處理，將其統(tǒng)計(jì)到數(shù)據(jù)庫(kù)檔案內(nèi)，并同步到服務(wù)器中，而服務(wù)器也會(huì)提示確認(rèn)或者是發(fā)出操作指令，滿足特殊情況下的信息處理需求。

要發(fā)送的信息包括生理參數(shù)類型、生理參數(shù)數(shù)據(jù)、患者信息?？紤]到系統(tǒng)的可拓展性，設(shè)計(jì)生理參數(shù)類型包括血壓（01）、體溫（02）、血氧（03）、脈搏（04）、心電數(shù)據(jù)（05）等。數(shù)據(jù)幀基本格式如下：

其中，起始符占用2Byte（0xaa，0xaa），結(jié)束符為2Byte（0x55，0x55），患者ID即為RFID標(biāo)簽的32bit唯一ID號(hào)碼，占用4Byte。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1系統(tǒng)功能測(cè)試

首先是RFID腕帶掃描與血壓采集實(shí)驗(yàn)，在這里操作人員需要把腕帶放到數(shù)據(jù)采集終端的有效區(qū)域內(nèi)，等到系統(tǒng)初始化結(jié)束之后，對(duì)腕帶進(jìn)行讀取，然后在OLED上打印出標(biāo)簽認(rèn)證信息，這樣一來(lái)，讀寫芯片再經(jīng)過(guò)初始化，掃描，讀取等步驟之后就可以完全展示出腕帶內(nèi)部的數(shù)據(jù)[2]。

其次是WiFi傳輸測(cè)試，先發(fā)布命令，讓終端先搜索當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)，然后顯示到串口調(diào)試助手上，并加入已經(jīng)設(shè)置好的網(wǎng)絡(luò)，這樣可以成功加入指定的信息。

3.2 系統(tǒng)功耗測(cè)試

測(cè)試方法：利用萬(wàn)用表測(cè)試不同工作模式下的工作電流，結(jié)合工作電壓，萬(wàn)用表表筆連接到電流檔，并串聯(lián)到電路中，針對(duì)不同的工作模式，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)試，并觀察測(cè)量的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于 ESP8266 模塊的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)血壓采集終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試，本節(jié)點(diǎn)可以迅速完成患者標(biāo)簽檢測(cè)、讀取以及顯示，并能夠采集患者血壓信號(hào)，借助 Wi-Fi 模塊，可將患者信息及血壓信息發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。在醫(yī)院醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)中，本節(jié)點(diǎn)稍加改動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)多種生理參數(shù)采集終端，能夠自動(dòng)完成常見的生理參數(shù)采集、記錄、上傳等工作，大大提高醫(yī)務(wù)人員的工作效率。未來(lái)，在家庭醫(yī)療系統(tǒng)、養(yǎng)老監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中也可得到廣泛的應(yīng)用，成為應(yīng)對(duì)醫(yī)療資源緊張、人口老齡化等問(wèn)題的解決對(duì)策。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金海.基于Wi-Fi通訊技術(shù)的智能化療養(yǎng)院監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究[J].信息系統(tǒng)工程，2019，000（006）：35-36.

[2]周建偉，張玲玲.關(guān)于Wi-Fi智能護(hù)理物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2018（03）：88.

作者簡(jiǎn)介：姜源（1982.08-），女，漢族，江蘇如皋人，碩士，講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、嵌入式控制;

基金項(xiàng)目：廣東省2017年度青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的珠海白蕉海鱸智能養(yǎng)殖系統(tǒng)研制”（項(xiàng)目編號(hào)：2017GkQNCX071）