基于樹莓派的孕婦生命體征采集系統(tǒng)設(shè)計

劉 洋

（南京市婦幼保健院信息中心，江蘇 南京 210001）

1 項目背景及概述

生命體征監(jiān)測主要是對患者血氧飽和度、心電、體溫、血壓以及呼吸等生理參數(shù)進行監(jiān)測［1］。近年來，南京市婦幼保健院為更好地貫徹落實國家三孩生育政策，積極應(yīng)對人口老齡化國家戰(zhàn)略，加強生育全程孕產(chǎn)期保健服務(wù)，提高優(yōu)生優(yōu)育水平，保障母嬰安全，為孕產(chǎn)婦產(chǎn)檢提供方便快捷的一體化生命體征測量方案，購置了一批一體化生命體征測量儀。將傳統(tǒng)的體重秤、身高測量儀、血壓計、體脂儀、溫度計5種常見的孕婦生命體征采集終端整合為一臺一體化的測量儀器，極大地縮短了孕婦測量生命體征所需要的時間。但仍然需要孕婦自己記錄數(shù)值后告知護士人工錄入電子病歷系統(tǒng)，易造成數(shù)據(jù)錄入錯誤，增加了孕婦不必要的就診時間和護士的工作量。使用樹莓派連接測量儀器的RS232C串口，讀取儀器返回測量數(shù)據(jù)解析后，再通過電子病歷提供的WebService接口協(xié)議，將孕婦的生命體征數(shù)值傳入電子病歷，可以有效避免數(shù)據(jù)誤差，縮短孕婦產(chǎn)檢的時間，提升孕婦對醫(yī)院的滿意度。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件平臺

本項目采用樹莓派作為整個系統(tǒng)的控制核心。因為Raspberry Pi具備一個PC上面完整的功能，可以實現(xiàn)程序的編譯以及運行［2］。最新版本的Raspberry Pi 4B型擁有以1.5 GHz運行的64位四核處理器，最高支持以60 fps速度刷新的4 K分辨率的雙顯示屏，高達(dá)4 GB RAM，2.4/5.0 GHz雙頻無線LAN，藍(lán)牙5.0/BLE，真千兆以太網(wǎng)，USB3.0和PoE功能。通過裝載相應(yīng)的Linux系統(tǒng)和相應(yīng)的應(yīng)用程序，樹莓派可以實現(xiàn)強大的應(yīng)用功能，具有價格低廉的優(yōu)勢，為使用者提供了一個理想的嵌入式開發(fā)平臺。

2.2 軟件平臺

樹莓派目前支持最好的操作系統(tǒng)是Linux，Linux與Windows相比具有開源免費的優(yōu)勢，更高的代碼執(zhí)行效率，具有良好的穩(wěn)定性可以像Unix系統(tǒng)一樣常年不關(guān)而不曾宕機。程序開發(fā)語言采用C＋＋語言，C＋＋語言既保留了C語言的有效性、靈活性、便于移植等全部精華和特點，又添加了面向?qū)ο缶幊痰闹С郑哂袕姶蟮木幊坦δ?，可方便地?gòu)造出模擬現(xiàn)實問題的實體和操作；編寫出的程序具有結(jié)構(gòu)清晰、易于擴充等優(yōu)良特性，適合于各種應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件的程序設(shè)計。用C＋＋編寫的程序可讀性好，生成的代碼質(zhì)量高，運行效率僅比匯編語言慢10%~20%。

2.3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件采用樹莓派四代B型開發(fā)板，軟件采用Linux操作系統(tǒng)，使用USB轉(zhuǎn)串口線一端連接一體化生命體征測量儀的RS232C串口一端連接樹莓派的USB口，使用網(wǎng)線連接樹莓派與醫(yī)院的內(nèi)網(wǎng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

2.4 電子病歷系統(tǒng)后端接口服務(wù)

電子病歷系統(tǒng)后端接口服務(wù)程序采用Web Service技術(shù)進行開發(fā)，程序開發(fā)語言使用Java。Web Service是一個SOA(面向服務(wù)的編程）的架構(gòu)，使用XML來封裝數(shù)據(jù)，通過Internet進行基于http協(xié)議的在客戶端和服務(wù)端之間傳輸數(shù)據(jù)。Web Service的跨開發(fā)語言與跨平臺性，恰好滿足了本系統(tǒng)前后端程序的相互交互。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體操作流程

孕婦使用掃描槍掃碼獲得掛號憑條上的ID號，樹莓派通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用電子病歷系統(tǒng)提供的獲取孕婦基本信息的Web Service接口使用ID號作為參數(shù)將獲取到的孕婦基本信息顯示在樹莓派連接的3.5寸液晶顯示屏上。確認(rèn)無誤后，點擊屏幕上的開始測量按鈕，樹莓派通過串口向一體化生命體征測量儀傳送開始測量的命令，孕婦根據(jù)一體化生命體征測量儀的語音提示，進行體溫、血壓、身高、體重、體脂的測量。儀器測量完畢通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送回樹莓派，樹莓派使用分析程序?qū)⒋诓东@數(shù)據(jù)分析加工后通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用電子病歷系統(tǒng)提供的接收生命體征數(shù)據(jù)的Web Service接口，電子病歷后端服務(wù)根據(jù)孕婦的唯一ID將生命體征數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，醫(yī)生產(chǎn)檢時打開孕婦電子病歷即可查看孕婦的生命體征。

3.2 硬件連接

在樹莓派終端輸入命令：dmesg|grepttyS?可以顯示從系統(tǒng)啟動到現(xiàn)在串口插入拔出的設(shè)備信息，使用USB轉(zhuǎn)RS232C轉(zhuǎn)接口連接一體化生命體征測量儀端RS232C串口與樹莓派的USB口。再次輸入命令：dmesg|grepttyS?，運行結(jié)果：usb 2－2.1：pl2303 converter now attached to ttyUSB0；可以找到一體化生命體征測量儀與樹莓派的通信端口為ttyUSB0。在Linux下，所有的設(shè)備都是以文件的形式存在的。都存在在/dev目錄下。在/dev目錄下的每個文件都對應(yīng)一個設(shè)備。通過命令ls/dev/tty?最終找到硬件設(shè)備文件標(biāo)識為/dev/ttyUSB0。

3.3 RS232串口通信原理

串口通信主要通過ASCII碼進行傳輸，采用地線進行接收和發(fā)送，通信段在一條線路中發(fā)送信息，可在另一條線路中進行接收。其中，波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位等參數(shù)十分關(guān)鍵［3］。

(1）波特率。這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。提到時鐘周期時，就是指波特率，例如，一體化生命體征測量儀通信協(xié)議需要4 800波特率，則時鐘是4 800 Hz。

(2）數(shù)據(jù)位。這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。計算機發(fā)送一個信息包時，實際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5，7和8位。如何設(shè)置取決于想傳送的信息。一體化生命體征測量儀數(shù)據(jù)使用擴展的ASCII碼是0~255(8位），每個數(shù)據(jù)包使用8位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。

(3）停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位，一體化生命體征測量儀的停止位為1。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，每一個設(shè)備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此，停止位不僅表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，還提供計算機校正時鐘同步的機會。停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。

3.4 樹莓派對數(shù)據(jù)的采集和分析

串口數(shù)據(jù)解析流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)解析流程

樹莓派接收到的儀器傳輸數(shù)據(jù)以ASCII碼方式進行編碼格式，如表1所示。

表1 一體化生命體征測量儀串口通信協(xié)議

分析現(xiàn)每一個數(shù)據(jù)都以“81＄”起頭，編寫程序首先定義變量m＿sMachineData保存原始字符串，類變量patient＿data用于保存本次測量各種生命體征數(shù)據(jù)值，再根據(jù)圖表5的通信協(xié)議將變量m＿sMachineData的原始數(shù)據(jù)進行分析，將身高、體重、低血壓、高血壓、心率、體脂、體溫數(shù)據(jù)分別保存在strHeight，strWeight，strLow，strHigh，strRate，strFat，strTemperature這些變量中，調(diào)用函數(shù)fun＿analysisComDate(）將得到的各個體征數(shù)據(jù)作為 參 數(shù) 生 成patient＿data，最 后 調(diào) 用 函 數(shù)fun＿PrintPatientData(）打印出本次的測量結(jié)果。解析主要實現(xiàn)代碼如下：

WzSerialPort usb＿com；

PatientData patient＿data；//保存孕婦本次測量結(jié)果

int i＝0；int j＝0；

char m＿sMachineData［1024］＝｛0｝； char strHeight［128］＝｛0｝；char EmerFlag［128］＝｛0｝；

char strWeight［128］＝｛0｝； char strLow［128］＝｛0｝；

char strHigh［128］＝｛0｝； char strRate［128］＝｛0｝；

char strFat［128］＝｛0｝； char strTemperature［128］＝｛0｝；

if(usb＿com.open(＂/dev/ttyUSB0＂，4800，0，8，1））

｛

usb＿com.send(＂60＄＂，3）；

cout＜＜＂發(fā)送體重秤握手消息＂＜＜endl；

while(true）

｛

memset(m＿sMachineData，0，1024）；

usb＿com.receive(m＿sMachineData，1024）；

cout＜＜＂收到體重秤通過串口發(fā)回的數(shù)據(jù)＂＜＜endl；

cout＜＜m＿sMachineData； //打印出原始數(shù)據(jù)

//81＄21755＄00652＄3＄B120075069＄0203 01471614055007031605085093209145252397105074290 848＄T365＄

｝

//開始解析相關(guān)數(shù)據(jù)值

i＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂81＄＂，j）；

for(；；）

｛

if(i＝＝－1）

break；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strHeight＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到身高數(shù)據(jù)175.5厘米；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strWeight＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到體重65.2千克；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i＋1）；EmerFlag＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i，1）；if(EmerFlag＝＝＂B＂）

｛

strLow＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j－6－i）； //得到血壓高壓120

strHigh＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋3，j－3－i）； //得到血壓低壓75

strRate＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋6，3）； //得到心率69

｝

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strFat＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到脂肪數(shù)據(jù)

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

EmerFlag＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i，1）；

if(EmerFlag＝＝＂T＂）

｛

strTemperature＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，ji）；//得到體溫數(shù)據(jù)36.5

｝

//保存本次測量結(jié)果

this－＞AddTestItem(strHeight，strWeight，strLow，strHigh，strRate，strFat，strTemperature，＆patient＿data）；

i＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂81＄＂，j＋1）；

｝

｝

else

｛

cout＜＜＂打開串口失?。ⅲ?/p>

｝

usb＿com.close(）；

//分析本次測量結(jié)果

fun＿analysisComDate(＆patient＿data）；

//輸出本次測量結(jié)果

fun＿PrintPatientData(＆patient＿data）；

return 0；

數(shù)據(jù)接收程序在樹莓派上的運行結(jié)果，如圖3所示。

4 結(jié)語

以上設(shè)計經(jīng)臨床實際使用，通過使用樹莓派作為一體化生命體征測量儀數(shù)據(jù)傳輸及解析平臺，在信息化條件下，采用智能控制和信息處理技術(shù)，進行醫(yī)院自助服務(wù)信息化智能終端建設(shè)和自助服務(wù)平臺的優(yōu)化設(shè)計，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)＋”，打造為患者服務(wù)的高效信息化平臺［4］。該平臺避免了傳統(tǒng)的由醫(yī)護人員人工進行測量時存在操作差異性而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，同時，也縮短了孕婦的產(chǎn)檢就診時間，為孕婦提供了方便，提升了孕婦對醫(yī)院的滿意度，具有一定的推廣價值。