廖君（通訊作者），廖華杰，蔡鴻志

（中山大學(xué)南方學(xué)院，廣東廣州，510970）

0 引言

ARM技術(shù)可以很好地滿足無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸便于攜帶、易控制、成本低，耗能低等需求，因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于ARM的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。采用基于ARM的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，通過(guò)結(jié)合傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出所需的各項(xiàng)生理參數(shù)，進(jìn)而對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包含患者的心率、體溫等生理參數(shù)。通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)，可將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)顯示在本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)平臺(tái)的界面, 同時(shí)病人也能查看數(shù)據(jù)，隨時(shí)語(yǔ)音呼叫護(hù)士等功能。醫(yī)務(wù)人員在護(hù)士站平臺(tái)即可監(jiān)測(cè)整個(gè)科室的患者體征數(shù)據(jù)信息和告警通告，極大地方便了病人的看護(hù)和管理，并有效的提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率。同時(shí)，患者可隨時(shí)查看自己的體征參數(shù)，醫(yī)生或病人家屬也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上的云平臺(tái)觀察其體征參數(shù)，這樣極大地免除了病人家屬在工作時(shí)，要在工作地點(diǎn)與醫(yī)院之間來(lái)往奔波的勞苦。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ARM的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸病房監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)可分為4個(gè)層面：分別是采集層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層、護(hù)士站展示層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

采集層的主要負(fù)責(zé)是為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來(lái)源，分別由監(jiān)護(hù)部分和病床顯示部分組成。監(jiān)護(hù)部分主要負(fù)責(zé)采集人體心率、體溫等生理參數(shù)，并還可采集多種可燃性氣體，例如，CO含量、甲醛含量、可燃?xì)怏w含量等。病床顯示部分可讓病人通過(guò)LED液晶屏直接觀察到自己的心率，體溫，病房的煙霧濃度等數(shù)值，病床顯示部分還配有麥克風(fēng)語(yǔ)音采集功能，其主要負(fù)責(zé)采集病人對(duì)著麥克風(fēng)說(shuō)的話得到的音頻數(shù)據(jù)。對(duì)病人的各項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)無(wú)線通信的方式，將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)層中。網(wǎng)絡(luò)層的主要負(fù)責(zé)是將采集層所采集到的數(shù)據(jù)或音頻進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理層。此外，由于采集層將會(huì)采集大量的數(shù)據(jù)并通過(guò)計(jì)算輸出，因此，將采集和轉(zhuǎn)發(fā)分開(kāi)工作，不僅能提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，還能使得整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到更快，更準(zhǔn)的效果。而數(shù)據(jù)處理層的主要負(fù)責(zé)是接收網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行解析，校驗(yàn)，異常告警診斷，備份記錄等功能，它是通過(guò)C/C++軟件代碼實(shí)現(xiàn)的一套服務(wù)器程序。護(hù)士站展示層通過(guò)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)在繪制圖表界面顯示，同時(shí)也會(huì)播放病人呼叫的語(yǔ)音，護(hù)士可以針對(duì)病人的圖表數(shù)據(jù)進(jìn)行制定康復(fù)方案，當(dāng)病人出現(xiàn)生理參數(shù)異常時(shí)，也會(huì)播放異常告警的語(yǔ)音。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中在采集層和網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備。其中采集層主要將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的處理，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)層再將數(shù)據(jù)通過(guò)路由網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層將接收到的數(shù)據(jù)上傳到護(hù)士站展示層上，最后醫(yī)護(hù)人員便可在平臺(tái)上查看到病人的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 采集層

該采集模塊主要包括Arduino控制傳感器、心率傳感器、體溫傳感器和煙霧傳感器。

Arduino控制傳感器最初由一個(gè)歐洲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)于2005年冬季開(kāi)發(fā)，它主要負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)加以處理并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式發(fā)送出去。

該系統(tǒng)采用Pulse Sensor心率傳感器。Pulse Sensor是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指、耳垂等處，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量。傳感器對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。單片機(jī)通過(guò)將采集到的模擬信號(hào)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算就可以得到心率數(shù)值。該P(yáng)ulse Sensor心率傳感器易操作、佩戴方便、可靠性高。

體溫傳感器模塊采用DHT11溫度模塊，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要由藍(lán)牙傳輸模塊、無(wú)線WIFI傳輸模塊和嵌入式ARM架構(gòu)控制終端組成。

藍(lán)牙傳輸模塊選材于藍(lán)牙HC05，它采用藍(lán)牙 2.0 協(xié)議，可與任何版本的藍(lán)牙兼容通訊，包括與具有藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等終端配對(duì)，可實(shí)現(xiàn)串口透?jìng)鞴δ?。?qū)動(dòng) HC05 模塊時(shí)只需要使用 TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)的串口即可(5V/3.3V 電壓均可)，支持的波特率范圍為 4800～1382400，非常適合用于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展藍(lán)牙特性。在系統(tǒng)中，作為與采集層接入設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

無(wú)線WIFI傳輸模塊通過(guò)AT指令配置，和單片機(jī)進(jìn)行通信，利用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將采集層所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

嵌入式終端采用GEC6818開(kāi)發(fā)平臺(tái),該平臺(tái)搭載三星Cortex-A53系列高性能八核處理器S5P6818，最高主頻高達(dá)1.4GHz，可應(yīng)用于嵌入式Linux和Android等操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)。該終端上承載液晶屏顯示病人生理參數(shù)數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互功能。因此，醫(yī)護(hù)人員便可通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)查看該終端液晶屏上采集到的動(dòng)態(tài)信息，從而對(duì)病人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)主要功能包括無(wú)線傳輸功能，病床顯示功能，服務(wù)器數(shù)據(jù)處理功能和護(hù)士站展示功能。

3.1 無(wú)線傳輸功能

藍(lán)牙主機(jī)發(fā)送端處理流程圖如圖2所示；藍(lán)牙從機(jī)接收端處理流程圖如圖3所示；WIFI模塊處理流程圖如圖4所示。 無(wú)線傳輸功能包括使用到藍(lán)牙傳輸和WIFI傳輸。

圖2 藍(lán)牙主機(jī)發(fā)送端處理流程圖

圖3 藍(lán)牙從機(jī)接收端處理流程圖

圖4 WIFI模塊處理流程圖

3.2 病房顯示功能

病床顯示部分主要是在嵌入式終端上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Linux ubuntu操作系統(tǒng)和QT應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架。QT應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架可提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所有功能。該系統(tǒng)采用QT應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架在PC上編寫(xiě)LCD液晶屏顯示程序，并將程序移植到嵌入式終端的ubuntu操作系統(tǒng)中。在這個(gè)病人生理參數(shù)監(jiān)控平臺(tái)中，病人可隨時(shí)通過(guò)查看自己的顯示屏設(shè)備，觀察到自己的心率情況和體溫值，同時(shí)也能夠觀察到病房?jī)?nèi)的煙霧濃度值。病人也可點(diǎn)擊發(fā)送語(yǔ)音按鈕，通過(guò)麥克風(fēng)呼叫醫(yī)護(hù)人員。

3.3 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理功能

服務(wù)器工作流程圖如圖5所示。服務(wù)器采用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)的一套程序代碼。開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Qt creator，它包括項(xiàng)目生成向?qū)?、高?jí)的C++ 代碼編輯器、瀏覽文件及類的工具、集成了Qt Designer、圖形化的 GDB 調(diào)試前端，集成 qmake 構(gòu)建工具等。

圖5 服務(wù)器工作流程圖

數(shù)據(jù)處理層的功能包括：解析校驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)告警，備份記錄。服務(wù)器收到采集設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)連接，解析校驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算傳感器的數(shù)據(jù)判斷是否觸發(fā)告警，最終將會(huì)在展示層語(yǔ)音體現(xiàn)，告警記錄都將會(huì)在服務(wù)器本地進(jìn)行備份。

3.4 護(hù)士站展示功能

護(hù)士站展示層主要是在PC電腦端開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境是Windows C/C++ 和Qt Creator IDE。護(hù)士站的展示包括煙霧濃度變化，病人心率變化，病人體溫變化，語(yǔ)音告警。當(dāng)病人的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，將會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音告警。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采集層采集人體生理參數(shù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理層，數(shù)據(jù)處理層將數(shù)據(jù)上傳到護(hù)士站展示層，在終端設(shè)備上顯示。 可燃?xì)怏w濃度，心率值，心電值和體溫值如圖6所示。

圖6 各數(shù)據(jù)效果圖

當(dāng)監(jiān)測(cè)到指標(biāo)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)向醫(yī)生或醫(yī)護(hù)人員發(fā)送語(yǔ)音告警，為病人爭(zhēng)取最佳的治療時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于AMR的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的心率、體溫等生理數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可通過(guò)電腦及時(shí)了解被監(jiān)護(hù)對(duì)象的各項(xiàng)指標(biāo)。病人也可隨時(shí)查看自己的身體情況，并且可以通過(guò)語(yǔ)音直接呼叫護(hù)士，護(hù)士也能隨時(shí)查看病人的身體情況，并且準(zhǔn)確定位是哪號(hào)病床呼叫，提高了工作效率。該系統(tǒng)具有操作方便、功耗低和的系統(tǒng)小型化等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合在醫(yī)院和各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)中使用，也可以推廣到家庭或個(gè)人健康監(jiān)測(cè)上，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，智能化病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展前景將變得蔚為壯觀。該系統(tǒng)未來(lái)可與各大醫(yī)院或醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，通過(guò)建立大型數(shù)據(jù)庫(kù)，保存患者的體征參數(shù)，建立疾病檔案，為心腦血管疾病、冠心病等問(wèn)題疾病的研究提供數(shù)據(jù)樣本。

在不久的將來(lái)，該系統(tǒng)也會(huì)增加手機(jī)監(jiān)測(cè)軟件功能，讓醫(yī)務(wù)人員可以在手機(jī)端或PDA終端實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控。同時(shí)患者和患者家屬也可以通過(guò)手機(jī)端來(lái)訪問(wèn)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，并能接收醫(yī)生建議實(shí)現(xiàn)更加智能化的人機(jī)交互。

伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，未來(lái)可增加視頻會(huì)診功能布局各大社區(qū)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和居家老人日常醫(yī)療監(jiān)護(hù)，同時(shí)，醫(yī)生可通過(guò)病人上傳的體征生理參數(shù)信息，可及時(shí)對(duì)病人的病情或健康狀況進(jìn)行診斷，并通過(guò)遠(yuǎn)程視頻或語(yǔ)音的方式與病人溝通，這樣極大地節(jié)約了醫(yī)療資源。這樣便能夠更好的適應(yīng)今后智能化醫(yī)療的發(fā)展需求。