基于IoT的智能病床系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張悅斌，李金嫻，余釗煒，黃晨健，張賢斌

（福州大學，福建福州，350108）

0 引言

在人們生活需求日益滿足的今天，我國人口老齡化趨勢日益加劇[1]，智能的醫(yī)療設施更加完善是我們現(xiàn)代社會的一大重要發(fā)展方向[2]。物聯(lián)網(wǎng)是在2005年ITU的信息社會世界峰會上正式確定的，將任何的時間、地點、人物、物品相聯(lián)就形成了萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)[3]?？梢妼⑽锫?lián)網(wǎng)技術融入醫(yī)療系統(tǒng)是大勢所趨。病床是病人療養(yǎng)期間重要的醫(yī)療器械，目前我國的護理床處于起步階段，大多產(chǎn)品功能簡單，功能不完善，缺乏核心創(chuàng)新技術[4]。為了能夠更加有效率的提供給病人一個更加便利和安全的環(huán)境，我們設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能病床系統(tǒng)。

由于在一些醫(yī)院，醫(yī)生和護士對于病房環(huán)境信息和病人身體信息獲取不夠具有時效性，有時在病人突發(fā)異常狀況或者有一些需求的時候難以及時受到的及時的救治或協(xié)作，導致出現(xiàn)無法挽回的結(jié)局，因此為了能夠更加有效率，且節(jié)約人力的方式提供給病人一個更加安全和便利的環(huán)境是我們項目的研究目的。系統(tǒng)能為不同程度的病人提供相應的協(xié)助。由于重癥患者在身體情況不佳時難以作出反應，該設計的系統(tǒng)能夠?qū)崟r自主地采集病患身體狀況，在出現(xiàn)異常時會及時提醒醫(yī)生和護士進行救治，保證醫(yī)生和護士第一時間能夠?qū)Σ∪诉M行救治。對于輕癥患者提供智能語音和按鍵兩種方式，讓患者能夠在需要聯(lián)絡醫(yī)生護士或者家屬時能夠更加方便快捷。

如果病房出現(xiàn)異常的環(huán)境情況，病床的實時監(jiān)測環(huán)境系統(tǒng)能夠?qū)Σ〈驳臏囟?、濕度、氣體質(zhì)量方面進行實時檢測，并在APP上直觀地顯示出來，醫(yī)生護士能夠通過一些空調(diào)、空氣凈化器等設施對病床環(huán)境進行及時改善，也可以通過APP配置，讓這一過程自動化，在檢測到氣溫，濕度、氣體質(zhì)量等異常時，自動完成環(huán)境改善工作，能夠給予病患一個更加適合療養(yǎng)的環(huán)境。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)使用STM32系列單片機作為控制器，接收處理傳感器和WiFi模塊所收集的信息，并對搜集到的部分信息、數(shù)據(jù)進行處理。

使用溫度傳感器、濕度傳感器和一些氣體傳感器來檢測環(huán)境參數(shù)的變化，使用紅外測溫模塊來檢測病人體溫，使用血氧傳感器檢測病人是否缺氧，使用心率傳感器檢測病人心率是否正常。在病人打點滴時，使用壓力傳感器來檢測點滴剩余量。

使用阿里云作為網(wǎng)絡服務器，來進行信息、數(shù)據(jù)的傳遞與儲存。手機端App使用Android Studio作為本次項目開發(fā)安卓App所使用到的工具。本系統(tǒng)采用Paho Android Service客戶端服務包，項目中使用該服務包接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并進行數(shù)據(jù)收發(fā)。STM32連接LCD顯示模塊將傳感器接收到的所有信息顯示出來。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控芯片

主控芯片為STM32F103RCT6，主要負責接收和處理傳感器采集的信息，通過與ESP32連接與通信將數(shù)據(jù)上傳到云端。STM32系列單片機教學資源及芯片資料豐富完整，并且其庫函數(shù)開發(fā)較為流行且易于使用，擁有高性能、低成本、穩(wěn)定性強等特點，廣泛應用于電子系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

表1 硬件清單

壓力傳感器 HX711空氣質(zhì)量檢測模塊 MQ-135紅外溫度檢測模塊 MLX90614血氧濃度檢測模塊 MAX30102通信模塊 ESP32 LCD顯示模塊 2.2寸TFT

2.2 壓力傳感器HX711

HX711壓力傳感器的上表面和下表面有2個應變片，每個應變片上分布著2個應變電阻，這四個應變電阻采用線路補償法組成全橋電路，能夠增大電壓靈敏度，并且由于溫度補償使系統(tǒng)受到溫度影響較小，系統(tǒng)中使用HX711傳感器用作點滴余量的檢測，通過測量空的點滴瓶質(zhì)量確定點滴余量為0%，測量滿瓶時點滴余量為100%，系統(tǒng)會實時將點滴余量信息上傳至手機APP上顯示，提醒醫(yī)療人員及時更換點滴瓶。

2.3 紅外溫度檢測模塊 MLX90614

MLX90614紅外溫度檢測模塊是一種通過檢測物體發(fā)出的紅外輻射大小來測量其表面溫度，它能夠在1M范圍內(nèi)無接觸地對病人體溫做到實時檢測，其溫度測量精度經(jīng)過一定算法擬合能夠在遠距離測溫中達到高精度，其成本低、體積小能夠廣泛應用于醫(yī)療設施、運動檢測、需要溫度控制的家用電器等領域。

圖2 DHT11接口圖

2.4 溫濕度傳感器DHT11

由于病房的溫度和濕度變化范圍和變化速度較小，且對病房溫濕度測量的精度要求并不需要太高，綜合考慮之后故選擇價格便宜、集成度高、擁有溫濕度復合檢測功能的傳感器DHT11。在保證其功能達到系統(tǒng)需求的同時，DHT11傳感器還兼具功耗較低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于汽車、家電、醫(yī)療、數(shù)據(jù)記錄器等相關領域。

2.5 心電傳感器ADS1292

心電信號的電壓幅值十分微弱，容易受到各種噪聲的干擾，ADS1292擁有兩個高分辨率的ADC對心電信號進行采集和兩個高精度的PGA用來對心電信號進行放大，結(jié)合低通濾波器濾除高頻雜波，能夠?qū)⑿碾娦盘栐诘驮肼暤那闆r下提取出來。ADS1292擁有較高的集成度和非常出色的性能，其擁有著功耗低，噪聲低的特點，能夠基本滿足對醫(yī)療需求。

圖3 ADS1292接口圖

2.6 空氣質(zhì)量檢測模塊MQ-135

MQ-135空氣質(zhì)量檢測模塊使用清潔空氣中電導率較低的二氧化錫作為氣敏材料，當病床中存在有害氣體，傳感器內(nèi)部電導率變化等效為環(huán)境中有害氣體濃度信息輸出。MQ-135氣體傳感器成本低廉，對于可燃氣體的檢測效果尤為顯著，對于氣體泄漏或者火災的預防能夠起到一定的作用。

2.7 血氧濃度檢測模塊MAX30102

MAX30102是集成度較高，成本較低的血氧濃度檢測模塊，它采用了光溶積法利用人體組織在血管搏動造成的透光率不同來測量血氧濃度，可以適用于測量手腕心率血氧濃度，能夠?qū)崟r檢測病人血氧濃度狀況有助于醫(yī)生對病人病情的實時跟蹤，該傳感器被廣泛應用于醫(yī)療領域和運動健康領域。

2.8 通信模塊 ESP32

ESP32是一個功能非常強大的WIFI模塊，其擁有低功耗、工作穩(wěn)定、集成度高等特點，支持AP、STA、AP+STA共存模式，在系統(tǒng)中使用STM32連接ESP32通過JSON格式進行數(shù)據(jù)交換，并且配置ESP32接入阿里云，通過MQTT協(xié)議發(fā)布信息，再通過安卓APP接收系統(tǒng)信息并顯示出來。

2.9 顯示模塊

顯示模塊采用4.3寸TFT LCD模塊，能夠完整得將所有測得的信息以及心電波形實時顯示出來，方便醫(yī)療工作者和病人家屬對病人身體狀況及病房環(huán)境情況的查看。

3 云端服務器阿里云

阿里云是國內(nèi)第一家做云計算的平臺，也是目前國內(nèi)最大的云計算平臺，阿里云平臺為了幫助用戶高效地完成設備和應用開發(fā)，阿里云平臺采用了可視化發(fā)展方案，解決了開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)領域的技術路線復雜，成本較高等問題，并且阿里云相關服務功能價格較為便宜，有一些針對高校學生的優(yōu)惠活動，網(wǎng)絡上的例程較為豐富，阿里云官方網(wǎng)站有相關開發(fā)案例輔助初學者對于物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)，方便物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者的學習與使用，并且其安全性、穩(wěn)定性也較高，所以本系統(tǒng)采用阿里云作為云端服務器使用。

4 安卓APP設計

安卓APP分為封面、控制界面和MQTT服務的設計。能夠連入阿里云并將傳感器搜集到的所有信息可視化顯示出來，并且能夠顯示出動態(tài)波形圖，方便觀察病人身體狀況是否正常，室內(nèi)條件是否正常，通過遙控功能來操控室內(nèi)設施如空調(diào)，增濕器、空氣凈化器等。

安卓APP的控制界面有室內(nèi)溫度、空氣質(zhì)量、人體溫度、心電波形、血氧濃度、遙控功能六個選項，可根據(jù)選項查看系統(tǒng)采集的相應數(shù)據(jù)并具有遙控功能。由微控制器收集傳感器的信息，上傳到云端，手機端App從云端獲取分析信息，并可自動控制空調(diào)、空氣凈化器等設施，以讓空氣溫度、濕度、氣體濃度達到最佳狀態(tài)。

項目中設計的安卓APP采用Paho Android Service服務包來接入阿里云平臺并進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。MQTT通信服務頁面設計了連接需要輸入的clientId、username、password等信息欄方便使用者接入阿里云平臺中添加的設備中，系統(tǒng)中安卓APP設計了有工程中封裝好的發(fā)布消息、訂閱topic的MQTT通信功能欄。

圖4 APP控制界面

5 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計部分主要包含：系統(tǒng)主程序、病床環(huán)境信息采集程序、病人身體情況檢測程序、屏幕顯示程序、安卓APP接收與顯示程序。

系統(tǒng)主程序包括對各種模塊初始化和通信相關配置，病床環(huán)境信息采集包括采集環(huán)境溫濕度信息、點滴余量測量、空氣質(zhì)量檢測，病人身體情況檢測包括對病人心電、心率、血氧濃度、體溫的檢測，最后在LCD屏幕和安卓APP上將數(shù)據(jù)可視化顯示出來，并通過與正常數(shù)據(jù)閾值比較判斷病床環(huán)境情況和病人體征情況是否正常。

在控制器端，使用ESP32作為WiFi模塊，在手機端，編寫安卓App也同樣使用MQTT協(xié)議接入阿里云，讓ESP32和安卓App通過阿里云服務器，實現(xiàn)ESP32和安卓App之間的消息互相發(fā)布和接收。

網(wǎng)絡連接部分，由于MQTT協(xié)議的低開銷、低帶寬、即時性，以及MQTT在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面的廣泛應用，本系統(tǒng)使用MQTT協(xié)議作為主要通信協(xié)議傳遞和儲存信息。在控制器端，使用ESP32作為WiFi模塊，在手機端，編寫安卓App也同樣使用MQTT協(xié)議，讓ESP32和安卓App互相訂閱，實現(xiàn)ESP32和安卓App消息之間的互相發(fā)布（Publish）和接收。

圖5 程序流程圖

6 結(jié)論

本次設計的基于物聯(lián)網(wǎng)病床系統(tǒng)融合了新時代互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術，通過豐富的傳感器獲取病人生命體征以及環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的高效采集和使用，結(jié)合系統(tǒng)的智能交互屏、手機APP，提高護理工作效率，為病人提供更加便利和安全的環(huán)境，在物聯(lián)網(wǎng)應用醫(yī)療領域有一定推廣價值。