張悅斌，李金嫻，余釗煒，黃晨健，張賢斌

（福州大學(xué)，福建福州，350108）

0 引言

在人們生活需求日益滿足的今天，我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)日益加劇[1]，智能的醫(yī)療設(shè)施更加完善是我們現(xiàn)代社會(huì)的一大重要發(fā)展方向[2]。物聯(lián)網(wǎng)是在2005年ITU的信息社會(huì)世界峰會(huì)上正式確定的，將任何的時(shí)間、地點(diǎn)、人物、物品相聯(lián)就形成了萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)[3]?？梢?jiàn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入醫(yī)療系統(tǒng)是大勢(shì)所趨。病床是病人療養(yǎng)期間重要的醫(yī)療器械，目前我國(guó)的護(hù)理床處于起步階段，大多產(chǎn)品功能簡(jiǎn)單，功能不完善，缺乏核心創(chuàng)新技術(shù)[4]。為了能夠更加有效率的提供給病人一個(gè)更加便利和安全的環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能病床系統(tǒng)。

由于在一些醫(yī)院，醫(yī)生和護(hù)士對(duì)于病房環(huán)境信息和病人身體信息獲取不夠具有時(shí)效性，有時(shí)在病人突發(fā)異常狀況或者有一些需求的時(shí)候難以及時(shí)受到的及時(shí)的救治或協(xié)作，導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)法挽回的結(jié)局，因此為了能夠更加有效率，且節(jié)約人力的方式提供給病人一個(gè)更加安全和便利的環(huán)境是我們項(xiàng)目的研究目的。系統(tǒng)能為不同程度的病人提供相應(yīng)的協(xié)助。由于重癥患者在身體情況不佳時(shí)難以作出反應(yīng)，該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)自主地采集病患身體狀況，在出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)及時(shí)提醒醫(yī)生和護(hù)士進(jìn)行救治，保證醫(yī)生和護(hù)士第一時(shí)間能夠?qū)Σ∪诉M(jìn)行救治。對(duì)于輕癥患者提供智能語(yǔ)音和按鍵兩種方式，讓患者能夠在需要聯(lián)絡(luò)醫(yī)生護(hù)士或者家屬時(shí)能夠更加方便快捷。

如果病房出現(xiàn)異常的環(huán)境情況，病床的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境系統(tǒng)能夠?qū)Σ〈驳臏囟?、濕度、氣體質(zhì)量方面進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并在APP上直觀地顯示出來(lái)，醫(yī)生護(hù)士能夠通過(guò)一些空調(diào)、空氣凈化器等設(shè)施對(duì)病床環(huán)境進(jìn)行及時(shí)改善，也可以通過(guò)APP配置，讓這一過(guò)程自動(dòng)化，在檢測(cè)到氣溫，濕度、氣體質(zhì)量等異常時(shí)，自動(dòng)完成環(huán)境改善工作，能夠給予病患一個(gè)更加適合療養(yǎng)的環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32系列單片機(jī)作為控制器，接收處理傳感器和WiFi模塊所收集的信息，并對(duì)搜集到的部分信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

使用溫度傳感器、濕度傳感器和一些氣體傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境參數(shù)的變化，使用紅外測(cè)溫模塊來(lái)檢測(cè)病人體溫，使用血氧傳感器檢測(cè)病人是否缺氧，使用心率傳感器檢測(cè)病人心率是否正常。在病人打點(diǎn)滴時(shí)，使用壓力傳感器來(lái)檢測(cè)點(diǎn)滴剩余量。

使用阿里云作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，來(lái)進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)的傳遞與儲(chǔ)存。手機(jī)端App使用Android Studio作為本次項(xiàng)目開(kāi)發(fā)安卓App所使用到的工具。本系統(tǒng)采用Paho Android Service客戶端服務(wù)包，項(xiàng)目中使用該服務(wù)包接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。STM32連接LCD顯示模塊將傳感器接收到的所有信息顯示出來(lái)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控芯片

主控芯片為STM32F103RCT6，主要負(fù)責(zé)接收和處理傳感器采集的信息，通過(guò)與ESP32連接與通信將數(shù)據(jù)上傳到云端。STM32系列單片機(jī)教學(xué)資源及芯片資料豐富完整，并且其庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)較為流行且易于使用，擁有高性能、低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

表1 硬件清單

壓力傳感器 HX711空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊 MQ-135紅外溫度檢測(cè)模塊 MLX90614血氧濃度檢測(cè)模塊 MAX30102通信模塊 ESP32 LCD顯示模塊 2.2寸TFT

2.2 壓力傳感器HX711

HX711壓力傳感器的上表面和下表面有2個(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片上分布著2個(gè)應(yīng)變電阻，這四個(gè)應(yīng)變電阻采用線路補(bǔ)償法組成全橋電路，能夠增大電壓靈敏度，并且由于溫度補(bǔ)償使系統(tǒng)受到溫度影響較小，系統(tǒng)中使用HX711傳感器用作點(diǎn)滴余量的檢測(cè)，通過(guò)測(cè)量空的點(diǎn)滴瓶質(zhì)量確定點(diǎn)滴余量為0%，測(cè)量滿瓶時(shí)點(diǎn)滴余量為100%，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)將點(diǎn)滴余量信息上傳至手機(jī)APP上顯示，提醒醫(yī)療人員及時(shí)更換點(diǎn)滴瓶。

2.3 紅外溫度檢測(cè)模塊 MLX90614

MLX90614紅外溫度檢測(cè)模塊是一種通過(guò)檢測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射大小來(lái)測(cè)量其表面溫度，它能夠在1M范圍內(nèi)無(wú)接觸地對(duì)病人體溫做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，其溫度測(cè)量精度經(jīng)過(guò)一定算法擬合能夠在遠(yuǎn)距離測(cè)溫中達(dá)到高精度，其成本低、體積小能夠廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)施、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、需要溫度控制的家用電器等領(lǐng)域。

圖2 DHT11接口圖

2.4 溫濕度傳感器DHT11

由于病房的溫度和濕度變化范圍和變化速度較小，且對(duì)病房溫濕度測(cè)量的精度要求并不需要太高，綜合考慮之后故選擇價(jià)格便宜、集成度高、擁有溫濕度復(fù)合檢測(cè)功能的傳感器DHT11。在保證其功能達(dá)到系統(tǒng)需求的同時(shí)，DHT11傳感器還兼具功耗較低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、醫(yī)療、數(shù)據(jù)記錄器等相關(guān)領(lǐng)域。

2.5 心電傳感器ADS1292

心電信號(hào)的電壓幅值十分微弱，容易受到各種噪聲的干擾，ADS1292擁有兩個(gè)高分辨率的ADC對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集和兩個(gè)高精度的PGA用來(lái)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大，結(jié)合低通濾波器濾除高頻雜波，能夠?qū)⑿碾娦盘?hào)在低噪聲的情況下提取出來(lái)。ADS1292擁有較高的集成度和非常出色的性能，其擁有著功耗低，噪聲低的特點(diǎn)，能夠基本滿足對(duì)醫(yī)療需求。

圖3 ADS1292接口圖

2.6 空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊MQ-135

MQ-135空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊使用清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫作為氣敏材料，當(dāng)病床中存在有害氣體，傳感器內(nèi)部電導(dǎo)率變化等效為環(huán)境中有害氣體濃度信息輸出。MQ-135氣體傳感器成本低廉，對(duì)于可燃?xì)怏w的檢測(cè)效果尤為顯著，對(duì)于氣體泄漏或者火災(zāi)的預(yù)防能夠起到一定的作用。

2.7 血氧濃度檢測(cè)模塊MAX30102

MAX30102是集成度較高，成本較低的血氧濃度檢測(cè)模塊，它采用了光溶積法利用人體組織在血管搏動(dòng)造成的透光率不同來(lái)測(cè)量血氧濃度，可以適用于測(cè)量手腕心率血氧濃度，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)病人血氧濃度狀況有助于醫(yī)生對(duì)病人病情的實(shí)時(shí)跟蹤，該傳感器被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域和運(yùn)動(dòng)健康領(lǐng)域。

2.8 通信模塊 ESP32

ESP32是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的WIFI模塊，其擁有低功耗、工作穩(wěn)定、集成度高等特點(diǎn)，支持AP、STA、AP+STA共存模式，在系統(tǒng)中使用STM32連接ESP32通過(guò)JSON格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且配置ESP32接入阿里云，通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布信息，再通過(guò)安卓APP接收系統(tǒng)信息并顯示出來(lái)。

2.9 顯示模塊

顯示模塊采用4.3寸TFT LCD模塊，能夠完整得將所有測(cè)得的信息以及心電波形實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，方便醫(yī)療工作者和病人家屬對(duì)病人身體狀況及病房環(huán)境情況的查看。

3 云端服務(wù)器阿里云

阿里云是國(guó)內(nèi)第一家做云計(jì)算的平臺(tái)，也是目前國(guó)內(nèi)最大的云計(jì)算平臺(tái)，阿里云平臺(tái)為了幫助用戶高效地完成設(shè)備和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，阿里云平臺(tái)采用了可視化發(fā)展方案，解決了開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的技術(shù)路線復(fù)雜，成本較高等問(wèn)題，并且阿里云相關(guān)服務(wù)功能價(jià)格較為便宜，有一些針對(duì)高校學(xué)生的優(yōu)惠活動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)上的例程較為豐富，阿里云官方網(wǎng)站有相關(guān)開(kāi)發(fā)案例輔助初學(xué)者對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)發(fā)，方便物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)者的學(xué)習(xí)與使用，并且其安全性、穩(wěn)定性也較高，所以本系統(tǒng)采用阿里云作為云端服務(wù)器使用。

4 安卓APP設(shè)計(jì)

安卓APP分為封面、控制界面和MQTT服務(wù)的設(shè)計(jì)。能夠連入阿里云并將傳感器搜集到的所有信息可視化顯示出來(lái)，并且能夠顯示出動(dòng)態(tài)波形圖，方便觀察病人身體狀況是否正常，室內(nèi)條件是否正常，通過(guò)遙控功能來(lái)操控室內(nèi)設(shè)施如空調(diào)，增濕器、空氣凈化器等。

安卓APP的控制界面有室內(nèi)溫度、空氣質(zhì)量、人體溫度、心電波形、血氧濃度、遙控功能六個(gè)選項(xiàng)，可根據(jù)選項(xiàng)查看系統(tǒng)采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)并具有遙控功能。由微控制器收集傳感器的信息，上傳到云端，手機(jī)端App從云端獲取分析信息，并可自動(dòng)控制空調(diào)、空氣凈化器等設(shè)施，以讓空氣溫度、濕度、氣體濃度達(dá)到最佳狀態(tài)。

項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的安卓APP采用Paho Android Service服務(wù)包來(lái)接入阿里云平臺(tái)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。MQTT通信服務(wù)頁(yè)面設(shè)計(jì)了連接需要輸入的clientId、username、password等信息欄方便使用者接入阿里云平臺(tái)中添加的設(shè)備中，系統(tǒng)中安卓APP設(shè)計(jì)了有工程中封裝好的發(fā)布消息、訂閱topic的MQTT通信功能欄。

圖4 APP控制界面

5 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包含：系統(tǒng)主程序、病床環(huán)境信息采集程序、病人身體情況檢測(cè)程序、屏幕顯示程序、安卓APP接收與顯示程序。

系統(tǒng)主程序包括對(duì)各種模塊初始化和通信相關(guān)配置，病床環(huán)境信息采集包括采集環(huán)境溫濕度信息、點(diǎn)滴余量測(cè)量、空氣質(zhì)量檢測(cè)，病人身體情況檢測(cè)包括對(duì)病人心電、心率、血氧濃度、體溫的檢測(cè)，最后在LCD屏幕和安卓APP上將數(shù)據(jù)可視化顯示出來(lái)，并通過(guò)與正常數(shù)據(jù)閾值比較判斷病床環(huán)境情況和病人體征情況是否正常。

在控制器端，使用ESP32作為WiFi模塊，在手機(jī)端，編寫安卓App也同樣使用MQTT協(xié)議接入阿里云，讓ESP32和安卓App通過(guò)阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)ESP32和安卓App之間的消息互相發(fā)布和接收。

網(wǎng)絡(luò)連接部分，由于MQTT協(xié)議的低開(kāi)銷、低帶寬、即時(shí)性，以及MQTT在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面的廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)使用MQTT協(xié)議作為主要通信協(xié)議傳遞和儲(chǔ)存信息。在控制器端，使用ESP32作為WiFi模塊，在手機(jī)端，編寫安卓App也同樣使用MQTT協(xié)議，讓ESP32和安卓App互相訂閱，實(shí)現(xiàn)ESP32和安卓App消息之間的互相發(fā)布（Publish）和接收。

圖5 程序流程圖

6 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)病床系統(tǒng)融合了新時(shí)代互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)豐富的傳感器獲取病人生命體征以及環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的高效采集和使用，結(jié)合系統(tǒng)的智能交互屏、手機(jī)APP，提高護(hù)理工作效率，為病人提供更加便利和安全的環(huán)境，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用醫(yī)療領(lǐng)域有一定推廣價(jià)值。