常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 胡春芬 胡志鵬 嚴(yán) 巖

針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)療在現(xiàn)代醫(yī)院應(yīng)用中對(duì)嬰兒的監(jiān)護(hù)方式存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于OneNET云平臺(tái)的嬰兒健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103RET6為微處理器，集成MAX30102心率血氧傳感器、ESP8266WIFI傳感器、OneNET云平臺(tái)等終端。系統(tǒng)通過(guò)微處理器對(duì)心率血氧傳感器采集的PPG信號(hào)進(jìn)行處理，再使用PPG算法計(jì)算出HR、SpO2，然后通過(guò)ESP8266WIFI傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示和異常判斷。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、無(wú)接觸式采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程異常報(bào)警等功能，在智慧醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日趨成熟，產(chǎn)業(yè)鏈和基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)相當(dāng)完善，市場(chǎng)容量接近飽和。許多系統(tǒng)集成商將物聯(lián)網(wǎng)作為下一個(gè)突破的方向，而作為物聯(lián)網(wǎng)十大分支產(chǎn)業(yè)之一的智慧醫(yī)療，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高醫(yī)療信息的實(shí)時(shí)共享性，向著更復(fù)雜的互聯(lián)互通方向探索，有效幫助醫(yī)院實(shí)現(xiàn)對(duì)人和物的智能化管理。

隨我國(guó)二胎政策的全面開(kāi)放和強(qiáng)制婚檢的取消，導(dǎo)致高齡產(chǎn)婦人數(shù)增多、無(wú)需婚檢的觀(guān)念增強(qiáng)，綜合母體因素、促排卵藥物的濫用以及試管嬰兒的增加，導(dǎo)致早產(chǎn)嬰兒發(fā)生率、出生缺陷率逐年上升。對(duì)于早產(chǎn)和先天性疾病嬰兒都需在出生后放入保溫室內(nèi)進(jìn)行一段時(shí)間的醫(yī)學(xué)觀(guān)察和治療，而使用傳統(tǒng)醫(yī)療方式監(jiān)護(hù)嬰兒健康，會(huì)出現(xiàn)人力監(jiān)護(hù)資源消耗大、外界細(xì)菌對(duì)嬰兒傳染率高、采集健康信息的時(shí)效性差等問(wèn)題，本文針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)療的諸多問(wèn)題為保溫室內(nèi)的嬰兒設(shè)計(jì)一種基于OneNET云平臺(tái)的無(wú)接觸式健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用OneNET云平臺(tái)與監(jiān)測(cè)終端實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)對(duì)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，健康數(shù)據(jù)能通過(guò)PC端和手機(jī)端同步顯示，使得醫(yī)生和家屬能實(shí)時(shí)查看嬰兒的身體狀況，合理安排監(jiān)護(hù)時(shí)間，減少無(wú)效的奔波，減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)和家屬的心里負(fù)擔(dān)，且系統(tǒng)采用無(wú)接觸方式采集健康數(shù)據(jù)，可以減少外界細(xì)菌對(duì)嬰兒的傳染率，對(duì)提高醫(yī)院的醫(yī)療效率和質(zhì)量、新生兒的健康監(jiān)測(cè)和管理都有著積極的意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三個(gè)層面設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)如圖1所示。其中感知層包括各類(lèi)生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端，主要完成保溫室內(nèi)嬰兒的各項(xiàng)健康數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)層利用ESP8266WIFI傳感器和WIFI網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)采集的健康數(shù)據(jù)傳輸；應(yīng)用層主要包括OneNET云平臺(tái)以及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)端，其目的是為了支持醫(yī)護(hù)人員和家屬對(duì)嬰兒的身體健康進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、生命體征監(jiān)測(cè)終端的遠(yuǎn)程管理和異常報(bào)警等。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要由STM32F103RET6微處理器、MAX30102心率血氧傳感器、ESP8266WIFI傳感器、電源管理以及放大濾波等外圍電路組成，如圖2所示。微處理器STM32F103RET6選用具有超低功耗的ARM Cortex-M4內(nèi)核，其芯片包含512Kb FLASH、64KbSRAM，擁有多類(lèi)通信接口。MAX30102心率血氧傳感器集成多個(gè)LED燈、光電變換器以及光源器件，內(nèi)部還帶有抑制環(huán)境光的低噪聲電路，外部相比于上一代產(chǎn)品MAX30100增加了玻璃蓋來(lái)排除內(nèi)部光、灰塵、汗液等干擾，成為新一代最小尺寸、最低功耗的心率血氧采集傳感器。通信模塊選用ESP8266WIFI傳感器，該傳感器配備了Tensilica L106 32微型MCU、SRAM和ROM儲(chǔ)存控制器，支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧，即可做主MCU運(yùn)行，還可以經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，與其他模塊搭配研發(fā)嵌入式WIFI通信設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊圖

MAX30102心率血氧傳感器通過(guò)內(nèi)部光源器件發(fā)射兩類(lèi)特定波長(zhǎng)的光進(jìn)入皮膚，如圖3所示。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血容積變化，導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線(xiàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。STM32F103RET6微處理器通過(guò)I2C通信讀取MAX30102心率血氧傳感器FIFO內(nèi)的PPG信號(hào)，再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，然后通過(guò)PPG算法計(jì)算出HR、SpO2值，然后通過(guò)ESP8266WIFI傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺(tái)。

圖3 采集PPG信號(hào)模型圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

MAX30102傳感器采集PPG信號(hào)流程框圖如圖4所示。

圖4 PPG信號(hào)采集流程框圖

系統(tǒng)供電后，首先進(jìn)行初始化：MAX30102初始化、Systick定時(shí)器初始化、I2C、UART、SPI初始化。首先MAX30102心率血氧傳感器進(jìn)行PPG信號(hào)采集，然后程序使能STM32F103RET6微處理器通過(guò)I2C串口從MAX30102的FIFO中提取前500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，提取時(shí)間為5s。采集的原始信號(hào)受各種因素影響需要通過(guò)濾波電路進(jìn)行預(yù)處理，處理方法使用10點(diǎn)平均濾波法：選擇10個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行取平均值預(yù)處理，以達(dá)到濾波處理的最好效果，PPG原始信號(hào)和預(yù)處理后的信號(hào)如圖圖5和圖6所示。

圖5 PPG原始信號(hào)

圖6 預(yù)處理后PPG信號(hào)

選用每個(gè)波峰最大、最小點(diǎn)根據(jù)PPG算法程序計(jì)算出采集的心率血氧值。

3.2 OneNET云平臺(tái)與采集終端數(shù)據(jù)交互

數(shù)據(jù)采集成功之后，給ESP8266WIFI傳感器發(fā)送AT指令來(lái)建立與OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸通道，AT指令流程如圖7所示。

圖7 AT指令流程

通道連接成功之后，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議使用POST請(qǐng)求方式及JSON數(shù)據(jù)格式封裝數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)上傳。POST請(qǐng)求方式如下所示：

需要注意的是每行程序最后都要以 結(jié)尾，如不添加則不會(huì)執(zhí)行任何操作。

3.3 OneNET云平臺(tái)顯示界面設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)界面之前首先要進(jìn)行用戶(hù)接入，接入流程如圖8所示。

圖8 用戶(hù)接入流程

接入成功之后，點(diǎn)擊應(yīng)用管理添加獨(dú)立應(yīng)用，在獨(dú)立應(yīng)用內(nèi)設(shè)計(jì)PC端和移動(dòng)端顯示界面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面采用兩個(gè)折線(xiàn)圖實(shí)時(shí)反應(yīng)嬰兒一天的心率、血氧數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，兩個(gè)儀表盤(pán)實(shí)時(shí)顯示嬰兒的最新心率、血氧值，以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)控制MAX30102心率血氧傳感器，具體界面如圖9所示。

圖9 顯示界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)完成之后，選擇觸發(fā)器管理添加觸發(fā)器監(jiān)控采集上傳的心率、血氧數(shù)據(jù)，設(shè)置內(nèi)選擇使用郵箱接受報(bào)警信息如圖10所示。當(dāng)ESP8266WIFI傳感器上傳的數(shù)據(jù)超出觸發(fā)器所設(shè)置的閾值時(shí)，OneNET云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)向所設(shè)置的郵箱發(fā)送報(bào)警信息，信息內(nèi)包含觸發(fā)器信息、觸發(fā)時(shí)間以及觸發(fā)值。

圖10 觸發(fā)器設(shè)置

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性測(cè)試

本次心率血氧采集的準(zhǔn)確性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，選用三名嬰兒進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)試，分別使用MAX30102心率血氧傳感器和gladstone指夾式心率血氧儀對(duì)比，gladstone為三參數(shù)集成版血氧儀。通過(guò)使用本儀器，可以對(duì)成人人體單導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)進(jìn)行記錄、檢測(cè)、儲(chǔ)存與回放。將手指放在兩個(gè)設(shè)備上，靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)量心率血氧數(shù)據(jù)如表1、表2所示。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)初衷是為監(jiān)測(cè)嬰兒心率血氧數(shù)據(jù)，所以本文不對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下心率血氧監(jiān)測(cè)。

表1 心率準(zhǔn)確性測(cè)試

表2 血氧準(zhǔn)確性測(cè)試

由表1和表2數(shù)據(jù)得出，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器監(jiān)測(cè)的誤差值在±1bpm，所以本系統(tǒng)測(cè)量心率、血氧值具有較高的測(cè)量精度，能滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

4.2 報(bào)警功能測(cè)試

本次報(bào)警功能測(cè)試使用Postman軟件發(fā)送HTTP請(qǐng)求上傳一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，將HR、SpO2賦值為“10”，由于觸發(fā)器設(shè)置的血氧飽和度值為小于95%、心率值小于60次每分鐘，數(shù)據(jù)進(jìn)入閾值范圍，報(bào)警功能被觸發(fā)，OneNET云平臺(tái)自動(dòng)發(fā)送郵件提醒醫(yī)護(hù)人員，提醒郵件如圖11所示。

圖11 報(bào)警信息

本文主要為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于OneNET云平臺(tái)的嬰兒健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)云端及智能終端控制基礎(chǔ)醫(yī)療設(shè)備，采用WIFI無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持，以O(shè)neNET云平臺(tái)為基礎(chǔ)，分析傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)的不足，將傳統(tǒng)醫(yī)療系統(tǒng)聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行融合、創(chuàng)新、優(yōu)化，通過(guò)數(shù)次測(cè)試實(shí)現(xiàn)了基于OneNET云平臺(tái)的嬰兒心率、血氧數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)準(zhǔn)確性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快，在系統(tǒng)后期升級(jí)優(yōu)化中還可添加血壓、心電圖等生命體征測(cè)試功能以及攝像頭監(jiān)控功能，把系統(tǒng)逐漸完善成一個(gè)全面的醫(yī)療設(shè)備集群，從而全面保障嬰兒生命健康。