基于物聯(lián)網(wǎng)的患者生理信息智能采集系統(tǒng)

徐麗君

（泰州市人民醫(yī)院，江蘇泰州 225300）

近幾年，隨著住院病患數(shù)量的增加，醫(yī)護(hù)的工作量越來越大。為減少醫(yī)護(hù)的工作量，應(yīng)區(qū)別對(duì)待輕重癥患者，對(duì)病患的身體狀況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，將資源向重癥患者傾斜。由于病患的生理信息可以反映病患的身體狀況[1]，因此，設(shè)計(jì)一款病患生理信息智能采集系統(tǒng)是有必要的。而且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)場景，各類智能系統(tǒng)層出不窮，并都獲得了社會(huì)各界的一致好評(píng)[2]。因此，文中采用當(dāng)前熱門的物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]，設(shè)計(jì)了一套可實(shí)時(shí)采集病人生理信息、判斷病人生理狀態(tài)的病患生理信息智能采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上用3 個(gè)Mega2560 作為主控芯片，分別控制三大模塊：穿戴設(shè)備、傳輸節(jié)點(diǎn)和后臺(tái)處理模塊。在硬件上，穿戴設(shè)備主要在主控芯片外圍搭載傳感器和藍(lán)牙系統(tǒng)方案芯片CSR1013；傳輸節(jié)點(diǎn)主要在主控芯片外圍搭載CSR1013 和ZigBee 系統(tǒng)方案芯片CC2430；后臺(tái)處理模塊主要在主控芯片外圍搭載LCD 顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等。在軟件上，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了各傳感器的驅(qū)動(dòng)、傳感器與通信芯片的通信傳輸、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)匯集數(shù)據(jù)等功能。同時(shí)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫也可以將捕獲的病患生理信息傳入醫(yī)院HIS 系統(tǒng)進(jìn)行記錄并保存，為醫(yī)生診斷、用藥提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能看護(hù)系統(tǒng)主要包括三大模塊：病患使用的穿戴設(shè)備、組網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)的ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)備、后端數(shù)據(jù)處理的終端設(shè)備，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。穿戴設(shè)備上集成傳感器模塊、藍(lán)牙收發(fā)模塊，將采集的病患生理信息通過藍(lán)牙傳送到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)將信息傳送至總節(jié)點(diǎn)，通過SPI 接口傳送給終端設(shè)備進(jìn)行處理[4-5]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 穿戴設(shè)備

穿戴設(shè)備作為病患與機(jī)器交互的唯一設(shè)備，承擔(dān)著生理信息采集、信息發(fā)送兩項(xiàng)基本功能，其主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 穿戴設(shè)備主要結(jié)構(gòu)

1.1.1 主控芯片

系統(tǒng)采用Arduino Mega2560 作為設(shè)備的主控芯片。該芯片擁有54 位數(shù)字I/O 口，非常適合較多傳感器的應(yīng)用場景，方便后續(xù)進(jìn)行傳感器擴(kuò)展。同時(shí)芯片擁有3 種供電方式供客戶選擇，核心電壓可以低至3.3 V[6]。芯片IDE 軟件為開源開發(fā)環(huán)境，可在官網(wǎng)上下載。同時(shí)，芯片預(yù)置BootLoader 程序，使用類C 語言開發(fā)，操作方便[7]。

1.1.2 傳感器模塊

1）溫度傳感器：文中采用DALLAS 的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其與Mega2560 的連接圖如圖3 所示。它支持3～5.5 V 的工作電壓，典型值為3.3 V，其檢測范圍為-55～125 ℃，分辨率可以達(dá)到12 位，測量精度為0.062 5 ℃[8]。該傳感器具有響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。有別于傳統(tǒng)的溫度傳感器使用溫敏電阻，DS18B20 使用兩個(gè)溫度系數(shù)不同的晶體振蕩器。低溫度系數(shù)振蕩器計(jì)數(shù)存入溫度寄存器形成數(shù)字溫度值，而高溫度系數(shù)振蕩器計(jì)數(shù)控制存入溫度寄存器的數(shù)值大小[9]。因此，Mega2560 通過I/O 口可以實(shí)時(shí)查看DS18B20 寄存器的值，以確定病患的體溫。

圖3 溫度傳感器與Mega2560連接圖

2）心率傳感器：文中選用松恩電子的SON1303測量心率和血氧飽和度，其與Mega2560 的連接圖如圖4所示，該傳感器核心電壓范圍較寬（2.3～6 V），支持省電模式，該模式下功耗僅為0.3 mW[10]。SON1303 利用光電容積法測量心率，由于人血管中的血容量在心臟的搏動(dòng)過程中呈周期性變化，當(dāng)用光照時(shí)反射光強(qiáng)度也呈周期性變化，光電容積法就是通過檢測該周期確定心率[11]。測量血紅蛋白則是基于郎伯-比爾定律，利用血紅蛋白對(duì)570 nm 綠光的反射強(qiáng)度大小與血液中血紅蛋白濃度呈線性關(guān)系的特性，使用光敏二極管探測反射光強(qiáng)度，以確定血紅蛋白濃度。對(duì)SON1303 供電可以產(chǎn)生反映反射光強(qiáng)度的電壓信號(hào)，文中將該電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波放大后得到可識(shí)別的直流電壓信號(hào)，然后通過MCU 檢測該信號(hào)的周期和強(qiáng)度，周期為心率的倒數(shù)，強(qiáng)度為血紅蛋白濃度。

圖4 溫度傳感器與Mega2560的連接圖

1.1.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊主要通過MCU 控制CSR1013 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙傳輸功能。CSR1013 是高通公司針對(duì)藍(lán)牙V4.1 協(xié)議開發(fā)的SoC 片上方案，具有低功耗、小型化和藍(lán)牙協(xié)議封裝等優(yōu)點(diǎn)。它有13 個(gè)I/O 接口，支持SPI、UART 等多種串口通信協(xié)議，內(nèi)部集成射頻、基帶和MCU，功能強(qiáng)大[12]，其與Mega2560 連接圖如圖5 所示。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，只需要將SPI 的使能信號(hào)拉高并通過SPI 向芯片寫入數(shù)據(jù)，芯片就能根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議自動(dòng)調(diào)制并通過天線發(fā)出，簡單方便。

圖5 藍(lán)牙模塊與Mega2560連接圖

1.2 傳輸節(jié)點(diǎn)

文中運(yùn)用ZigBee技術(shù)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，使用CC2430 模塊完成ZigBee 組網(wǎng)傳輸[13-14]。節(jié)點(diǎn)的主體架構(gòu)如圖6 所示，首先藍(lán)牙接收穿戴設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過MCU 利用SPI 接口將數(shù)據(jù)送入CC2430，最后通過CC2430 將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)。節(jié)點(diǎn)部分電路如圖7 所示。CC2430 集成了8051內(nèi)核和收發(fā)模塊，是一個(gè)完整的ZigBee SoC 片上解決方案。它擁有較寬的工作電壓范圍（2.0～3.6 V），在休眠模式下功耗極低，可以通過外部中斷或RTC功能來喚醒，能長時(shí)間使用。同時(shí)它支持SPI，有21個(gè)I/O 口。因此，文中利用CC2430 搭建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖6 節(jié)點(diǎn)的主體架構(gòu)

圖7 節(jié)點(diǎn)部分電路

1.3 終端處理模塊

終端處理模塊主要利用Mega2560 搭建系統(tǒng)，完成信息接收和信息處理功能。數(shù)據(jù)主要通過CC2430 利用SPI 接口進(jìn)行傳輸，傳輸數(shù)據(jù)的幀格式可由用戶自己定義。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)判別和數(shù)據(jù)整合三大部分，單片機(jī)根據(jù)用戶設(shè)定的幀格式讀取特定病人的生理數(shù)據(jù)；根據(jù)給定的范圍判定數(shù)據(jù)是否異常，并將異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD 屏幕上，同時(shí)通過WiFi 熱點(diǎn)向責(zé)任護(hù)士和醫(yī)生的PDA 終端發(fā)送提醒信息；獲取數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將病人的生理信息繪制成圖表，通過網(wǎng)口傳輸至服務(wù)器儲(chǔ)存，以備醫(yī)生隨時(shí)查看。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能看護(hù)主要是通過監(jiān)測病患的生理信息，判斷其生理狀況的方式進(jìn)行工作。因此，軟件上主要需要完成與病患直接接觸的穿戴設(shè)備的生理信息采集任務(wù)[15]、穿戴設(shè)備與后臺(tái)終端的信息傳遞任務(wù)、后臺(tái)的信息處理任務(wù)三大部分?；诖耍┐髟O(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)信息采集與傳遞功能；Zigbee 節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)通信和組網(wǎng)功能；后臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)信息處理功能。

2.1 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

2.1.1 穿戴設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

該程序需要完成體溫、心率、血氧飽和度三大基本生理信息采集功能。溫度由DS18B20 采集，由于DS18B20 只有一根數(shù)據(jù)線與MCU 通信，硬件開銷小，需要較復(fù)雜的軟件流程。心率和血氧飽和度由SON1013 采集，放大整波后送入I/O 口，具體工作流程如圖8 所示。為了增加血氧飽和度測量準(zhǔn)確性，傳感器工作前需要對(duì)傳感器的輸出電平進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)主要是對(duì)溫度和對(duì)血氧濃度進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)在穿戴設(shè)備消殺過程中實(shí)施，利用反射光強(qiáng)度為0 的75 ℃水對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖8 穿戴設(shè)備工作流程

2.1.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

該部分主要完成節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信兩大功能。由于CC2430 已經(jīng)集成了ZigBee 協(xié)議棧，可以通過MCU 寫入一系列函數(shù)和原語并向芯片發(fā)送指令，使其完成網(wǎng)絡(luò)建立與加入、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送和設(shè)備初始化等功能，而原語和函數(shù)可以通過規(guī)格書獲取[16]。

文中采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如文中圖1所示，其中與終端通信的為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和信息的收集，其基本工作流程如圖9 所示，而每個(gè)病房為終端設(shè)備，負(fù)責(zé)采集信息并向協(xié)調(diào)器傳送信息，其基本工作流程如圖10 所示。

圖9 協(xié)調(diào)器工作流程

圖10 終端設(shè)備工作流程

2.2 數(shù)據(jù)協(xié)議

由于醫(yī)院具有病患流動(dòng)性大、電磁環(huán)境差等特點(diǎn)，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中定義特有的數(shù)據(jù)傳輸幀是有必要的。該節(jié)介紹了文中系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)傳輸幀，具體幀格式如圖11 所示。數(shù)據(jù)幀包括起始符、源地址、目的地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、CRC 碼、停止符7個(gè)字段，而數(shù)據(jù)段包括住院號(hào)編碼、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、體溫?cái)?shù)據(jù)、心率數(shù)據(jù)、血氧飽和度數(shù)據(jù)。起始符和停止符用來表示數(shù)據(jù)幀的開始和結(jié)束，用于同步控制，各占一個(gè)字節(jié)。源地址表示ZigBee 發(fā)送數(shù)據(jù)的子節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，目的地址表示ZigBee 接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，各占一個(gè)字節(jié)，同時(shí)約定0XFF 為廣播地址。數(shù)據(jù)長度表示該幀數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，最大為0XFF，其數(shù)據(jù)段最長有255 Byte 的數(shù)據(jù)。CRC 碼為數(shù)據(jù)段的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼，用一個(gè)字節(jié)表示。數(shù)據(jù)段中住院號(hào)占用6 個(gè)字節(jié)，采集時(shí)間占用5 個(gè)字節(jié)，其余為生理信息數(shù)據(jù)段，同時(shí)約定每種生理數(shù)據(jù)為20 個(gè)字節(jié)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，父節(jié)點(diǎn)需要向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)幀，確認(rèn)幀的數(shù)據(jù)段約定為0X00 0XAA 0XFF。

圖11 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

3 結(jié)束語

文中研究了基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能病患看護(hù)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明，用戶利用穿戴設(shè)備上的傳感器可以獲取體溫、心率和血氧飽和度等基本生理信息，同時(shí)也能自動(dòng)通過藍(lán)牙傳送至ZigBee 節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)在接收到信息后能自動(dòng)組網(wǎng)并將信息匯總到協(xié)調(diào)器，最后到達(dá)后臺(tái)。后臺(tái)最后通過串口可以獲取到信息，并進(jìn)行匯總生成EXCEL表，從而實(shí)現(xiàn)通過無線組網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)獲取病患生理信息的功能。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有一定可行性，可以大大減輕護(hù)士的工作，并全方位監(jiān)測病患生理信息特征，形成生理數(shù)據(jù)，具有一定應(yīng)用的價(jià)值。