基于ZigBee技術(shù)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

凌振寶,張起源,劉雍野,張雪洋

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院,長春 130026)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對醫(yī)療環(huán)境與醫(yī)療服務(wù)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)與要求?，F(xiàn)有醫(yī)療服務(wù)資源緊缺,傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備體型大、不宜便攜等缺點在部分場合無法滿足人們的需求。新冠疫情爆發(fā)初期,許多國家都面臨病房監(jiān)護(hù)人員不足的問題。物聯(lián)網(wǎng)作為一種“物物互聯(lián)”的新型技術(shù),為醫(yī)院信息化綜合管理水平和服務(wù)功能的提升開辟了更廣闊的空間[1]。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展,ZigBee作為一種短距離、低功耗、低成本的無線通信技術(shù),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制及自動化產(chǎn)業(yè)中。

目前ZigBee無線通信技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用研究主要集中在對各類傳感器數(shù)據(jù)的采集和無線數(shù)據(jù)傳輸,并且已有基于該技術(shù)的生理檢測設(shè)備與信息管理平臺的研究報道[2-4],但將病房環(huán)境、病患信息、管理后臺集于一體的智能系統(tǒng)仍有待研發(fā)與探索。筆者設(shè)計了基于ZigBee的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng),通過ZigBee技術(shù)將傳感器模塊采集的病房、病患的相關(guān)信息打包整合,與實時的病理信息發(fā)送至護(hù)士站平臺。所搭建的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng),具有低功耗、無線化、監(jiān)護(hù)設(shè)備便攜、低成本等特點,在醫(yī)療預(yù)防與監(jiān)護(hù)方面有一定的實用價值,也為智能醫(yī)療儀器的發(fā)展提供了一種參考思路。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由病房數(shù)據(jù)監(jiān)測終端與護(hù)士站管理平臺兩部分組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測包括病房環(huán)境數(shù)據(jù)與病患生理信息數(shù)據(jù)。在環(huán)境監(jiān)測中需要利用各部分傳感器實現(xiàn)對病房內(nèi)溫度、濕度、光照強度與常見污染氣體濃度信息的實時測量,同時利用光電傳感器實現(xiàn)對病患輸液情況的監(jiān)控。針對病患設(shè)計簡易可穿戴式無線生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備,可對病患的體溫、心率、血氧3種參數(shù)進(jìn)行測量。利用ZigBee技術(shù)將各終端信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器,通過Wi-Fi技術(shù)把病房信息傳輸?shù)阶o(hù)士站管理平臺。平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置后可對各病房及病患的信息進(jìn)行監(jiān)控與管理,并及時針對危險情況發(fā)出警報,實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理,完成整個監(jiān)護(hù)過程。系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the whole system structure

2 硬件設(shè)計

病房區(qū)的多參數(shù)信息采集終端是筆者設(shè)計的核心組成部分之一。根據(jù)測量對象的不同,傳感電路主要分為兩部分,即對患者生理參數(shù)的采集與對病房環(huán)境參數(shù)的采集。為滿足低功耗、易攜帶等適用要求,筆者將以STM32F103芯片為核心的主控單元進(jìn)行傳感模塊與外圍電路的設(shè)計。

2.1 生理信息采集模塊

為減輕患者負(fù)擔(dān),實現(xiàn)輕量化攜帶,本系統(tǒng)針對患者的心率、血氧和體溫3種臨床生理信息參數(shù)進(jìn)行采集。其中,心率與血樣模塊采用美信半導(dǎo)體公司的MAX30102集成式脈搏血氧與心率檢測模塊。該模塊內(nèi)部集成660 nm紅光LED(Light Emitting Diode)、880 nm紅外光LED、光電傳感器、環(huán)境光抑制電路、A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)緩存FIFO[5](First Input First Output)。傳感器可通過編程設(shè)置進(jìn)入低功耗狀態(tài),提升了設(shè)備電池的使用時長。在應(yīng)用過程中,MAX30102依據(jù)光的透射原理,通過LED的交替開關(guān)與光電傳感器將透過人體動脈血管的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,模擬信號經(jīng)過內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存入FIFO,最后利用IIC(Inter-Integrated Circuit)通信與主控制器傳輸數(shù)據(jù)。模塊的外部電路如圖2所示。

在臨床中,為保證體溫測量的準(zhǔn)確性及舒適性,一般對患者采用腋下測溫。該系統(tǒng)體溫模塊采用德州儀器(美國)公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器,它將溫度傳感測量、A/D轉(zhuǎn)換器與ROM(Read-Only Memory)數(shù)據(jù)存儲器等功能集為一體。該模塊共有3個引腳,采用TO-92小體積封裝,測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃,溫度分辨率可達(dá)0.062 5℃[6],價格便宜,使用方便,滿足測量需求。

圖2 心率血氧模塊外部電路圖Fig.2 External circuit diagram of heart rate and blood oxygen module

2.2 病房終端監(jiān)控模塊

該系統(tǒng)對病房終端的環(huán)境監(jiān)控主要由溫濕度監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、光照強度檢測以及輸液報警裝置4部分組成。溫濕度監(jiān)測采用DHT11數(shù)字傳感器,該傳感器包括一個NTC(Negative Temperature Coefficient)測溫元件與一個電阻式測濕元件,具有較好的穩(wěn)定性與抗干擾性。其采用簡單的單總線協(xié)議進(jìn)行通信,I/O口與主控器接口相連,一次傳輸40 bit數(shù)據(jù),包含溫度、濕度與校驗數(shù)據(jù),測量溫度區(qū)間-20 ℃～+60 ℃、濕度區(qū)間5～95%RH[7]。煙霧監(jiān)測采用MQ系列傳感器進(jìn)行監(jiān)測,包括MQ-2、MQ-7、MQ-135傳感器分別對烷類氣體、一氧化碳、氨氣等污染氣體進(jìn)行實時監(jiān)控。MQ系列傳感器探測范圍廣、靈敏度高、穩(wěn)定性好且壽命長,廣泛適用于室內(nèi)氣體環(huán)境的監(jiān)控。光照強度檢測采用OPT101芯片,該光敏器件將感光部件與放大器集于一體,使用簡單,可直接將接收到的光信號變?yōu)殡妷狠敵?再通過主控器進(jìn)行A/D采集,實現(xiàn)對光照強度的測量。

輸液報警裝置利用基于ITR9606的高靈敏度型光耦模塊實現(xiàn)對輸液管內(nèi)有無藥液的檢測。該模塊由紅外發(fā)光二極管與NPN(Negative-Positive-Negative)光電三極管組成,使用寬電壓LM393比較器進(jìn)行信號調(diào)理,輸出為數(shù)字信號。DO(Digital Output)口與主控器相連,外部電路如圖3所示。

圖3 光耦模塊外部電路圖Fig.3 External circuit diagram of optocoupler module

2.3 通信傳輸模塊

病房內(nèi)各項信息采集端口視為一個終端(患者生理信息采集、外部環(huán)境監(jiān)控與輸液報警終端),終端節(jié)點采用基于ZigBee技術(shù)的CC2530芯片作為通信模塊,該模塊能以低成本建立無線通信網(wǎng)絡(luò),是應(yīng)用于IEEE802.15.3,ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530芯片具有低成本、低功耗、近距離等特性,相比于藍(lán)牙傳輸、LoRa傳輸及Wi-Fi傳輸?shù)葌鹘y(tǒng)通信方式的局限性,更適合于病房內(nèi)空間結(jié)構(gòu)簡單、多終端、低成本的應(yīng)用特性。

針對病房與護(hù)士站之間的廣域信息傳送,ZigBee技術(shù)不適用于復(fù)雜空間環(huán)境的穩(wěn)定信息傳輸,因此系統(tǒng)采用Wi-Fi模塊ESP8266進(jìn)行兩者之間的通信。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計由兩部分組成,一是對系統(tǒng)終端硬件的編程設(shè)計,包括傳感器的應(yīng)用程序與采集信號的后期處理；二是利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)終端信息的無線傳輸程序設(shè)計,主要包括ZigBee節(jié)點的組網(wǎng)、入網(wǎng)程序和信息轉(zhuǎn)發(fā)程序等。

3.1 傳感器終端軟件設(shè)計

系統(tǒng)終端的傳感器驅(qū)動程序主要包括空氣溫濕度傳感模塊、煙霧傳感模塊、光照強度傳感模塊以及心率血氧傳感模塊等。為實現(xiàn)病房環(huán)境和病患生理健康參數(shù)的正常采集,首先需對各傳感器進(jìn)行初始化,設(shè)置其對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳和引腳類型,發(fā)送傳感器開始工作指令。

空氣溫濕度傳感器DHT11通過串行通信接口與單片機連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,煙霧傳感器、光照強度傳感器與光耦模塊輸出模擬信號,需要利用單片機的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。單片機A/D轉(zhuǎn)換器初始化步驟如下：1) 設(shè)置引腳功能和A/D轉(zhuǎn)換器運行模式；2) 設(shè)置通道數(shù)量和外部觸發(fā)方式；3) 啟動A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。心率血氧傳感器MAX30102利用IIC進(jìn)行驅(qū)動,讀取一定量信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合,將直流量與交流量進(jìn)行劃分,通過提取特征點計算心率與血氧值。單片機將各部分傳感器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理后得到相關(guān)目標(biāo)信息,將信息進(jìn)行標(biāo)記與打包。

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)支持完整功能設(shè)備(FFD:Full Function Device)和精簡功能設(shè)備(RFD:Reduced Function Device),其組網(wǎng)是自動完成的。節(jié)點上電后通過主動掃描的方式發(fā)送命令幀,如果在掃描期限內(nèi)沒有接收到回應(yīng)命令幀,則認(rèn)定該節(jié)點為FFD。然后通過能量掃描和主動掃描,選擇合適的信道,并為這個新的網(wǎng)絡(luò)分配一個唯一的個域網(wǎng)標(biāo)志符。協(xié)調(diào)器將0x0000作為自身網(wǎng)絡(luò)地址,同時進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。最后,通過MAC(Media Access Control address)層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)啟動請求,返回網(wǎng)絡(luò)形成狀態(tài)[8]。具體流程如圖4所示。

圖4 ZigBee節(jié)點組網(wǎng)和入網(wǎng)流程圖Fig.4 Flow chart of ZigBee node networking and network access

ZigBee組網(wǎng)時包含兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)[9]。發(fā)起ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立的節(jié)點需要滿足兩點要求：1) 節(jié)點是FFD節(jié)點且具備協(xié)調(diào)器功能；2) 節(jié)點未與其他網(wǎng)絡(luò)連接。節(jié)點入網(wǎng)時通過主動掃描或被動掃描的方式,尋找能接受自己加入網(wǎng)絡(luò)的父節(jié)點,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)一定的算法給設(shè)備分配一個唯一的16位短地址,并通過這個地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[10]。

ZigBee協(xié)調(diào)器與STM32網(wǎng)關(guān)按照UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)幀格式進(jìn)行通信。所有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)調(diào)器便進(jìn)入循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài),監(jiān)聽是否接收到新的數(shù)據(jù)包。如果檢測到新的數(shù)據(jù)包,便分析包中信息,根據(jù)不同的信息進(jìn)行不同操作,例如接收到病患生理健康監(jiān)測模塊發(fā)送的信息,則將數(shù)據(jù)包通過與網(wǎng)關(guān)連接的ESP8266模塊轉(zhuǎn)發(fā)至護(hù)士站平臺；接收到輸液報警器傳送的信息,系統(tǒng)將會發(fā)出提示信息。

4 上位機設(shè)計

基于Qt Creator開發(fā)護(hù)士站智能交互平臺,實時監(jiān)測并顯示病區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)、病人生理健康參數(shù)、輸液情況等。Qt是1991年開發(fā)的一套基于C++語言實現(xiàn)跨平臺的用戶界面開發(fā)框架,支持Windows、Linux、Solaris等主流操作系統(tǒng),具有豐富的API(Application Programming Interface)和開源框架[11-12]。而Qt Creator則是一款基于Qt的跨平臺集成開發(fā)環(huán)境,包含了Qt Designer可視化布局和格式構(gòu)建器,開發(fā)界面簡潔友好,能滿足項目開發(fā)需要。

4.1 通訊數(shù)據(jù)的接收和分離

圖5 Qt通訊數(shù)據(jù)的接收和分離Fig.5 Receiving and separation of Qt communication data

上位機作為服務(wù)器,利用UART-Wi-Fi模塊ATK-ESP8266接收無線數(shù)據(jù)。該項目中,調(diào)用Qt內(nèi)部串口庫,無需過多研究底層的通信方式[13-14],設(shè)置好串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位等參數(shù)后,通過調(diào)用readAll()函數(shù)即可接收串口數(shù)據(jù)。

由于接收的數(shù)據(jù)通常包含病房溫濕度、空氣質(zhì)量、病人心率血氧等多種參數(shù),再加上外界干擾,數(shù)據(jù)有可能丟失或出錯,因此需對正確的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并分離。系統(tǒng)為每類數(shù)據(jù)加上前綴字符,串口每讀取到一類前綴字符,便將其存儲到相應(yīng)的列表中,以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分離并方便下一次的調(diào)用,具體流程如圖5所示。

4.2 接收數(shù)據(jù)的顯示與繪圖

一般的環(huán)境數(shù)據(jù)利用普通文本在接收框里進(jìn)行顯示即可。對體溫數(shù)據(jù)、心率數(shù)據(jù)需更直觀地顯示,因此平臺調(diào)用QwtPlot類對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制,追蹤一段時間內(nèi)所測數(shù)據(jù)變化趨勢,如圖6所示。圖6實時顯示了管理平臺接收到的環(huán)境參數(shù)、病人各項生理參數(shù)以及部分?jǐn)?shù)據(jù)的波形繪制,很好地實現(xiàn)了病區(qū)與護(hù)理站間的協(xié)同處理。

圖6 管理平臺界面顯示Fig.6 Management platform interface display

QWT(Qt Widgets for Technical application)屬于第三方庫,繼承了Qt的跨平臺特性,為程序提供圖形用戶接口(GUI：Graphical User Interface)組件。其中,QwtPlot是QWT最常用的基類之一,類似一個二維繪圖容器,在它的畫布上可以顯示不限數(shù)量的曲線、標(biāo)簽、網(wǎng)格或是其他任意從QwtPlotItem繼承的組件。此外,在利用QwtPlot實現(xiàn)波形繪制的同時,利用QwtPlotPanner、QwtPlotMagnifier等基類設(shè)計實現(xiàn)縮放、平移和局部放大等動作,對數(shù)據(jù)波形更好地進(jìn)行觀察[15]。

5 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)實時監(jiān)測了病區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)、病人生理健康參數(shù)、輸液情況等,具體測試過程如下。測試地點位于北方室內(nèi),室內(nèi)面積為30 m2且無大體積遮擋物,測試對象選擇生理健康的22歲男性。首先對病房環(huán)境進(jìn)行模擬測量,由于煙霧傳感器與光照強度傳感器輸出量為模擬量,因此需將數(shù)值進(jìn)行特定環(huán)境下的標(biāo)定。在測試過程中利用火機與香煙燃燒產(chǎn)生氣體作為污染源進(jìn)行對比實驗。分別取8:00、12:00、18:00 3個不同時間對溫度、濕度和光照強度等6個環(huán)境量進(jìn)行檢測,其結(jié)果如表1所示。由對比分析實驗數(shù)據(jù)可知,傳感器節(jié)點所測環(huán)境數(shù)據(jù)正常且能檢測到目標(biāo)污染氣體。

表1 病房內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)測量情況Tab.1 Measurement of environmental data in ward

為證明該系統(tǒng)對病人生理健康參數(shù)測量的準(zhǔn)確性,將本系統(tǒng)樣機和傳統(tǒng)水銀體溫計及魚躍YX102指夾式血氧儀在同條件下測量的數(shù)據(jù)作為比較對象。在早、中、晚3個不同時間段分別對測試者進(jìn)行體溫、心率和血氧的測量,各項誤差值不超過2.5%,其結(jié)果如表2所示。

表2 病人生理參數(shù)數(shù)據(jù)測量情況Tab.2 Measurement of patient parameters

為驗證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,在實驗室中模擬病房環(huán)境,將協(xié)調(diào)器、各終端節(jié)點安置在適當(dāng)?shù)奈恢?經(jīng)過24 h不間斷測試,病房環(huán)境和病人生理健康參數(shù)等數(shù)據(jù)能實時通過ZigBee模塊傳輸至病房節(jié)點,并繼續(xù)通過Wi-Fi將信息推送至護(hù)士站平臺；當(dāng)輸液管內(nèi)液位低于報警線,上位機會收到報警信息并及時提醒。測試期間,當(dāng)患者在病房區(qū)域內(nèi)走動時,各傳感器工作無異樣、通信保持正常、網(wǎng)絡(luò)總體穩(wěn)定；當(dāng)采用單一ESP8266模塊通信時,病房區(qū)與護(hù)士站區(qū)隔單層墻且直線距離小于20 m情況下通信網(wǎng)絡(luò)良好。本次測試在局部范圍內(nèi)檢驗了系統(tǒng)的運行情況,從傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸和實時顯示環(huán)節(jié)驗證了系統(tǒng)應(yīng)用于病房監(jiān)護(hù)的可行性。

6 結(jié) 語

筆者提出了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智慧病房系統(tǒng)設(shè)計方案,具備人體生理參數(shù)采集、病房環(huán)境控制以及護(hù)士站平臺交互功能。相較于傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)方式,該系統(tǒng)利用ZigBee節(jié)點低功耗、低成本的特點,設(shè)計便攜式人體健康狀況監(jiān)測系統(tǒng)、智能輸液監(jiān)測系統(tǒng),實時監(jiān)控病人生理健康參數(shù),有效減輕了醫(yī)護(hù)人員負(fù)擔(dān)。但受限于傳感器性能及算法方面的原因,對病人生理參數(shù)的相關(guān)測量仍存在部分誤差；在面對復(fù)雜環(huán)境時,需采用性能更高的Wi-Fi模塊或增加通信設(shè)備數(shù)量以保障通信穩(wěn)定。同時,關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信信息的加密與病患信息的安全防護(hù)在本系統(tǒng)中暫未考慮,仍存在法律及道德問題的隱患。但隨著ZigBee 技術(shù)、傳感器技術(shù)和智能終端技術(shù)的發(fā)展,無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)將得到更多的應(yīng)用,為廣大患者提供更加全面、舒適的醫(yī)療監(jiān)護(hù)體驗。