楊火祥，張懷德，劉鑫豪，胡 鈺， 姚佳杏，王嘉姚， 劉興云

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

一種基于ZigBee技術(shù)的病人監(jiān)測智能護(hù)士站云系統(tǒng)

楊火祥，張懷德，劉鑫豪，胡 鈺， 姚佳杏，王嘉姚， 劉興云

(湖北師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

研究了一種基于ZigBee技術(shù)為核心的對(duì)病人體征信息監(jiān)測的云系統(tǒng)。主要分為前端采集設(shè)備、ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)、信息上傳到服務(wù)器設(shè)備三大部分。前端采集設(shè)備主要完成對(duì)病人心率、血壓和體溫的采集工作，并且將采集的信息經(jīng)過ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)部分最后通過信息上傳到服務(wù)器設(shè)備上傳到數(shù)據(jù)庫。實(shí)時(shí)對(duì)病人的信息在數(shù)據(jù)庫刷新，將異常及時(shí)反饋給醫(yī)生及家屬，以免病人因血壓、心率、體溫不正常而得不到及時(shí)的處理發(fā)生意外事故。對(duì)于醫(yī)護(hù)人員來說，能給他們提供很大的方便，他們可以實(shí)時(shí)對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)，實(shí)時(shí)了解病人的情況。而病人、家屬也可以隨時(shí)了解這些信息，給他們帶來了便利。

ZigBee；智能監(jiān)測；血壓；心率；體溫

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，心率、血壓、體溫等生理指標(biāo)越來越受到人們的重視，國內(nèi)外醫(yī)院通常會(huì)對(duì)病人的這些生理指標(biāo)進(jìn)行采集。據(jù)研究表明，80%的醫(yī)院需要在清晨對(duì)住院病人的生理指標(biāo)進(jìn)行采集，這不僅耽誤了病人的休息時(shí)間，護(hù)士記錄也可能出錯(cuò)。目前，部分醫(yī)院在血壓、心率、體溫[1]測量方面已經(jīng)做到了智能化測試，但測試儀器笨重，測量結(jié)果通過觀察測試儀器獲得，嚴(yán)重影響了病人的行動(dòng)以及測試結(jié)果獲取的方便度。本系統(tǒng)能夠很好的解決儀器笨重以及測試結(jié)果難以及時(shí)被醫(yī)生、家屬獲取的情況。本系統(tǒng)采用體積較小的手戴式的前端采集設(shè)備用來采集病人的生理信息并實(shí)時(shí)的在數(shù)據(jù)庫更新，醫(yī)生及家屬能隨時(shí)了解到病人的情況，能很好的應(yīng)對(duì)病人的各種情況。

1 系統(tǒng)原理及整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)為核心，使用前端采集設(shè)備采集用戶生理指標(biāo)，通過ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)部分將信息發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，用戶可以通過電腦或者手機(jī)查看相關(guān)信息的云系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為前端采集設(shè)備、ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)、信息上傳到服務(wù)器設(shè)備三大部分。其中前端采集設(shè)備以SH79F6488單片機(jī)作為核心處理器，主要完成對(duì)生理信息的采集以及顯示。ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)部分是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫的核心，主要功能是將前端采集設(shè)備得到的數(shù)據(jù)無線傳送到護(hù)士站中的信息上傳到服務(wù)器設(shè)備，采用ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)能方便病人隨時(shí)隨地的測量自己的生理指標(biāo)[2]。信息上傳到服務(wù)器設(shè)備主要是將得到的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中，隨時(shí)保證數(shù)據(jù)庫的更新，數(shù)據(jù)庫能方便醫(yī)生、家屬通過網(wǎng)頁或者APP隨時(shí)獲取，系統(tǒng)流程圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)組成

2.1 前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備采用SH79F6488單片機(jī)作為核心處理器，SH79F6488里面自帶可編程儀表放大器(PGA)、20位A/D轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器，能高效的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。前端采集設(shè)備主要包括：壓力傳感器、溫度傳感器、SH79F6488單片機(jī)、求助按鈕、LCD、袖套、充氣泵、放氣閥、ZigBee終端等。

其中溫度傳感器通過1-Wire協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的溫度信息送給單片機(jī)，壓力傳感器采集的信息直接與單片機(jī)內(nèi)部的PGA相連，經(jīng)過PGA后送給帶通濾波器、固定增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換器處理得到血壓和心率值，采集到的數(shù)據(jù)在屏幕上面顯示。

圖2 壓力信號(hào)處理電路圖

2.1.1 脈搏壓力傳感器 測量心率和血壓，主要是對(duì)脈搏壓力的測量，XGZP壓力傳感器，它是一款適用于生物醫(yī)學(xué)、氣象等領(lǐng)域的壓力傳感器，由一個(gè)彈性膜及集成在膜上的四個(gè)電阻組成[3]。四個(gè)壓敏電阻形成了惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，當(dāng)有壓力作用在彈性膜上時(shí)電橋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與所加壓力成線性比例關(guān)系的電壓輸出信號(hào)，輸出的信號(hào)連接到SH79F6488單片機(jī)經(jīng)儀表放大器放大(PGA)后送到由OP2和OP3組成的帶通濾波器、固定增益放大器，提取脈搏信號(hào)。由內(nèi)建OP2和OP3組成的帶通濾波器濾掉直流成分，以及濾掉人體與袖帶摩擦的高頻噪聲和50Hz工頻噪聲、電路噪聲、PUMP與氣閥噪聲等，使軟件能準(zhǔn)確地提取脈搏振動(dòng)波。脈搏值與心率值幾乎相同，所以對(duì)應(yīng)的心率值就測出來了[4]。圖2為壓力信號(hào)處理電路。

壓力傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)儀表放大器放大(PGA)后也送到A/D轉(zhuǎn)換器得到血壓值，信號(hào)到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器后，A/D轉(zhuǎn)換器每4ms轉(zhuǎn)換一次，通過程序采用閾值法、比較法等算法，計(jì)算出1秒時(shí)間段內(nèi)壓力的最大值和最小值以及最大值最小值的差值，記錄下測試時(shí)間內(nèi)所有的差值，通過對(duì)所有差值進(jìn)行濾波等優(yōu)化后，找到最大的差值，經(jīng)程序確認(rèn)無誤后確定最大的差值為最大脈搏波Amax，根據(jù)測血壓原理，最大差值向前查詢到差值約為Amax*Kd處，此處對(duì)應(yīng)的壓力傳感器的壓力轉(zhuǎn)換成血壓值就是舒張壓，最大差值向后查詢到脈搏波幅值A(chǔ)max*Ks處，此處對(duì)應(yīng)的壓力傳感器的壓力轉(zhuǎn)換成血壓值就是收縮壓，其中Kd和Ks為常數(shù)。

2.1.2 體溫測量傳感器 測量體溫，溫度傳感器[5]選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器[6]，DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9～12位攝氏溫度的測量，在-10℃～+85℃的測量的精度是±0.5℃，檢測到的溫度直接傳給SH79F6488單片機(jī)。傳感器原理圖如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路圖

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.1.3 顯示模塊 液晶顯示單元選用2.8英寸的TFTLCD，該模塊支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240，接口為16位的80并口，自帶觸摸屏，它不僅可以顯示多種字符，還可以顯示各種圖形，測得的血壓、心率、體溫顯示在液晶屏幕上。

2.2 ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)組網(wǎng)方式多樣，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等通信方式。ZigBee節(jié)點(diǎn)根據(jù)燒寫程序的不同可以分為終端、路由器、協(xié)調(diào)器。終端與協(xié)調(diào)器可以近距離的通信，如果距離較遠(yuǎn)，可以在終端與協(xié)調(diào)器中間放置多個(gè)路由器路由，ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的ZigBee節(jié)點(diǎn)能夠直接或間接相互通信。系統(tǒng)中所有ZigBee節(jié)點(diǎn)都以CC2530為核心。每個(gè)病房有一個(gè)ZigBee路由器，SH79F6488單片機(jī)通過串口通信將數(shù)據(jù)傳輸給ZigBee終端，ZigBee終端通過自動(dòng)組網(wǎng)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)最終傳給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后經(jīng)過WiFi上傳互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。上傳至服務(wù)器后就可以通過APP或者網(wǎng)頁隨時(shí)隨地的訪問相應(yīng)信息。

2.3 上傳互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

上傳互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由協(xié)調(diào)器、ESP8266WiFi芯片構(gòu)成。協(xié)調(diào)器仍然采用CC2530為核心，WiFi芯片選用的是ESP8266單片機(jī)，能夠快速構(gòu)建串口——網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案。ESP8266連接無線路由器，通過無線路由器以HTTP協(xié)議把信息傳到數(shù)據(jù)庫。

3 程序設(shè)計(jì)

當(dāng)采集設(shè)備開啟時(shí)，單片機(jī)控制氣泵和電磁閥開始充氣加壓，當(dāng)壓力達(dá)到40mmHg時(shí)，減小PWM波的占空比，減緩充氣的速度，同時(shí)壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)，壓力傳感器采集的信息直接與單片機(jī)內(nèi)部的PGA相連，經(jīng)過PGA后送給帶通濾波器、固定增益放大器后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換，每4ms進(jìn)行一次，存儲(chǔ)下壓力傳感器的值，通過算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理找到收縮壓和舒張壓以及心率，同時(shí)溫度傳感器檢測得到體溫信息，將病人編號(hào)、血壓、心率、體溫信息傳給傳輸給ZigBee終端，ZigBee終端通過ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)功能經(jīng)ZigBee路由器無線傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器最后串口傳給WiFi模塊，WiFi模塊通過無線路由器上傳到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。

圖5 病人信息列表

圖6 用戶的手機(jī)APP截圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過系統(tǒng)與水銀血壓計(jì)的比較以及真實(shí)心率的比較，選用不同人作為測試對(duì)象，得到的結(jié)果如表1 .

由表1可以看出，系統(tǒng)的測得的血壓與醫(yī)用的水銀血壓計(jì)存在誤差很小，對(duì)比的心率誤差在2次以內(nèi)，系統(tǒng)采用了全新的算法，測量結(jié)果精準(zhǔn)。

5 結(jié)論

實(shí)際測試效果表明，系統(tǒng)誤差很小。主要利用ZigBee的無線傳輸技術(shù)，通過WiFi模塊通過無線路由器上傳數(shù)據(jù)到后臺(tái)服務(wù)器[7]，操作簡單，測量結(jié)果易獲取，方便醫(yī)院的智能化管理，能給醫(yī)生、護(hù)士、家屬帶來很大的便利。

表1 測量血壓與水銀血壓計(jì)的比較、測量心率與真實(shí)心率的比較

[1]魯池梅,劉 歡,楊火祥,等.基于藍(lán)牙的手戴式體溫測量儀的研究[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(12):91～93.

[2]焦尚彬,宋 丹,張 青,等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2013,27(5):436～442.

[3]孔維康,陶 帥,汪祖民.基于ZigBee的養(yǎng)老院健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2016,24(1):95～98.

[4]魯池梅,周 航,李焱奎,等.人體心率測量的研究與實(shí)現(xiàn)[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,35(3):82～86.

[5]魯池梅,蘭天翔,楊火祥,等.金屬絲螺線管測溫器的制作與實(shí)現(xiàn)[J].電子制作,2014,288(8):92～93.

[6]包敬海,樊東紅,陸安山,等. 基于DS18B20的多點(diǎn)體溫檢測系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化與儀表,2010,25(2):20～22.

[7]韓 吉,周 杰,杜景林.基于Android的氣象WSN監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2014,35(8):2709～2714.

A patient monitoring system based on ZigBee technology for cloud system

YANG Huo-xiang,ZHANG Huai-de, LIU Xin-hao,HU Yu,WANG Jia-yao LIU Xing-yun

(College of Physics and Electronic Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

This paper describes a cloud system based on ZigBee technology for monitoring the patient's physical sign information. The system is mainly divided into three parts:data acquisition equipment, ZigBee automatic network, data upload equipment. Data acquisition equipment to collect the patient's heart rate, blood pressure and body temperature, and the collected information through the ZigBee automatic network to achieve data upload equipment. Data upload device is used to send the data to the database. This system refresh the information of the patient in the database in real time, and give the feedback to the doctors and their families, In order to avoid the accident due to the abnormal blood pressure, heart rate, body temperature and can not get a timely treatment. For the nurse, it can provide them with great convenience, they can be real-time monitoring of patients, real-time understanding of the patient's situation. For the patients, their families can also know the information at any time and bring them convenience.

ZigBee; intelligent monitoring; blood pressure; heart rate; temperature

2016—10—12

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(B20132506,XD2014237,D20132505,B20132504)，湖北師范大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)教研項(xiàng)目(2016346)

楊火祥(1991— )，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事于嵌入式，物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用研究.

TH89

A

2096-3149(2017)01- 0067-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.01.014