廣東睿超電子科技有限公司 黃鑫

基于LoRa無線傳輸技術(shù)設(shè)計一款無線體溫計監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括體溫監(jiān)測終端、無線局域網(wǎng)、服務(wù)器、體溫數(shù)據(jù)管理平臺，具有測溫高精度、范圍全覆蓋、操作符合醫(yī)護(hù)人員習(xí)慣的特點。體溫監(jiān)測終端通過2.4G無線傳輸協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)上傳，無線局域網(wǎng)通過LoRa無線橋接技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，基于Web搭建的體溫數(shù)據(jù)管理平臺可以實時從服務(wù)器中獲取用戶體溫數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員通過體溫數(shù)據(jù)管理平臺可以實時查看患者體溫數(shù)據(jù)和溫度變化情況，管理平臺的報警功能可以及時對患者的異常溫度進(jìn)行報警提醒。該系統(tǒng)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于醫(yī)院住院部，能有效提升醫(yī)護(hù)人員的工作效率。該系統(tǒng)同樣適用于養(yǎng)老社區(qū)，提升養(yǎng)老社區(qū)特定人群的監(jiān)測和管理水平。

基于433MHz頻段的無線射頻傳輸技術(shù)設(shè)計的無線可穿戴式體溫監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)將患者體溫數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過體溫數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點上傳至服務(wù)器[1]。但是在無線局域網(wǎng)的無線橋接過程中，基于433MHz頻段的無線射頻傳輸技術(shù)在功率一定的前提下，傳輸距離有限。要想將通過中繼器無線橋接形成的局域網(wǎng)覆蓋范圍擴(kuò)大，需要使用數(shù)量更多的中繼器進(jìn)行橋接。為此，我們使用傳輸距離更遠(yuǎn)，且具有低功耗特點的LoRa無線射頻傳輸技術(shù)，增加單個中繼器的傳輸距離，使得無線局域網(wǎng)覆蓋相同的面積，但使用較少的中繼器。同時，由于醫(yī)院更傾向于使用基于Web的管理系統(tǒng)，我們對體溫管理系統(tǒng)同樣進(jìn)行了優(yōu)化，搭建了基于Web體溫數(shù)據(jù)管理平臺，符合醫(yī)護(hù)人員的使用習(xí)慣，方便醫(yī)護(hù)人員熟悉和使用系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)醫(yī)院臨床需求和醫(yī)護(hù)人員的使用習(xí)慣，無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)包括體溫監(jiān)測終端、無線局域網(wǎng)、服務(wù)器、體溫數(shù)據(jù)管理平臺四個部分[2]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，體溫監(jiān)測終端可以實時獲取用戶體溫數(shù)據(jù)，并通過2.4G無線傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線局域網(wǎng)中；無線局域網(wǎng)包括中繼器和網(wǎng)關(guān)，終端與中繼器之間使用2.4G無線傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交互，中繼器之間的無線橋接使用LoRa無線通訊協(xié)議。所有體溫數(shù)據(jù)均通過中繼器橋接傳輸至同一個網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并保存在服務(wù)器中。醫(yī)護(hù)人員可以通過各科室的電腦登錄體溫數(shù)據(jù)管理平臺，獲取特定用戶或患者的體溫數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計Fig.1 Overall system design

升級后的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)醫(yī)院整個院區(qū)多棟住院樓的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。除了必要的每個房間布局中繼器外，走廊和樓層的可以通過較少的中繼器完成局域網(wǎng)的橋接。同時多棟住院大樓之間可以通過在樓頂空曠位置布置LoRa中繼器完成較遠(yuǎn)距離的無線局域網(wǎng)擴(kuò)展。因此，我們可以將系統(tǒng)服務(wù)器布置在醫(yī)院內(nèi)任意機(jī)房，或者沿用醫(yī)院原有的服務(wù)器就可以實現(xiàn)整個醫(yī)院的無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)器搭建。當(dāng)用戶在病房或各住院科室內(nèi)佩戴上體溫監(jiān)測終端，體溫數(shù)據(jù)就可以通過無線局域網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，醫(yī)護(hù)人員在電腦端登錄體溫數(shù)據(jù)管理平臺即可查看患者的體溫數(shù)據(jù)變化情況，及時發(fā)現(xiàn)患者的體溫異常。

2 體溫監(jiān)測終端

體溫監(jiān)測終端由原來的8位MCU升級為32位MCU，使用了STM32系列的低功耗主控。主控MCU的升級主要的體現(xiàn)在運行效率、響應(yīng)延時、處理計算能力、功耗等方面。從運行效率來看，當(dāng)8位與32位MCU同時進(jìn)行一個運算，32位的MCU可能只需要一條指令，而8位的MCU則需要多條8位的指令，這顯然能提升設(shè)備的運行效率。運行效率的提升，往往就能同時提升系統(tǒng)的響應(yīng)延時和數(shù)據(jù)處理計算能力。由于MCU并不總是全速運行，實際應(yīng)用中，穿戴式終端的MCU大多數(shù)時間是處于低功耗模式，只有需要進(jìn)行處理指令、計算數(shù)據(jù)的時候，MCU才從低功耗模式切換至全速運行模式，以此來降低系統(tǒng)功耗；32位的MCU在一次從低功耗模式切換至全速模式時，可以更快速的處理完所有指令和數(shù)據(jù)，又再次從全速模式切換回低功耗模式，使得32位的系統(tǒng)處于低功耗模式的時間較8位系統(tǒng)處理低功耗模式的時間長，以此來進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

體溫監(jiān)測終端運行效率、響應(yīng)速度、計算能力的提升，也進(jìn)一步提升了溫度采樣、分析和計算的精度，升級后的終端測溫精度由原來的精確到小數(shù)點后1位提升至小數(shù)點后2位。測溫精度的提升能更貼近用戶的真實體溫變化情況，為醫(yī)護(hù)人員提供更準(zhǔn)確的溫度參考值。同時，體溫監(jiān)測終端功耗的降低，也延長了穿戴式終端電池的使用壽命，提升了穿戴設(shè)備的體驗感。

3 無線局域網(wǎng)

無線局域網(wǎng)包括中繼器和網(wǎng)關(guān)，其中，中繼器、網(wǎng)關(guān)之間的無線橋接使用LoRa無線傳輸協(xié)議，由于其單個模塊的無線傳輸覆蓋面積較大，所以更適合遠(yuǎn)距離、大面積的無線橋接和覆蓋，能有效降低系統(tǒng)中繼器的數(shù)量，降低無線局域網(wǎng)的布置成本。

我們選用了高穩(wěn)定性的工業(yè)級LoRa無線傳輸模塊，該模塊采用SX1278主芯片實現(xiàn)了LoRa擴(kuò)頻傳輸；具有空中喚醒、超低接收功耗。該模塊接收靈敏度高達(dá)-130dBm，空曠環(huán)境下傳輸距離最大可達(dá)3000m；內(nèi)置有雙256環(huán)形FIFO緩存，能實現(xiàn)發(fā)送接收數(shù)據(jù)的快速緩存；并且采用高效的循環(huán)交織糾錯編碼算法，提升了LoRa無線傳輸模塊的編碼效率和糾錯能力。特別是在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包。

無線局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，由一個網(wǎng)關(guān)和多個中繼器構(gòu)成，各個中繼器節(jié)點可以由更多的中繼器分支構(gòu)成[3]。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，易于擴(kuò)展和故障排查，當(dāng)醫(yī)院住院部根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整時，可以通過增加或減少中繼器擴(kuò)大或減小無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍。當(dāng)某一中繼器發(fā)生故障時，數(shù)據(jù)可以通過臨近的其他中繼器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；若是關(guān)鍵路徑上的中繼器發(fā)生故障，故障排查也十分容易，能快速進(jìn)行修復(fù)。因此為了避免因關(guān)鍵路徑上的中繼器發(fā)生故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸中斷，我們在關(guān)鍵路徑上設(shè)置了雙路徑，可以增加無線局域網(wǎng)傳輸能力冗余，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，增加無線局域網(wǎng)帶寬。

4 服務(wù)器選擇

服務(wù)器可以類比為一臺高性能計算機(jī)，需要根據(jù)醫(yī)院住院患者流量等信息確認(rèn)服務(wù)器業(yè)務(wù)所需的硬件配置，從而搭建合適的數(shù)據(jù)管理平臺。服務(wù)器的配置主要從CPU、內(nèi)存、硬盤帶寬等方面考慮。CPU直接決定了所配置的服務(wù)器的計算能力；內(nèi)存主要存儲CPU已經(jīng)計算的數(shù)據(jù)和將要計算的數(shù)據(jù)，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)運算效率；硬盤主要負(fù)責(zé)存儲運行日志、源代碼和數(shù)據(jù)等；帶寬決定了服務(wù)器數(shù)據(jù)流入流出的速度和響應(yīng)延時。

服務(wù)器的配置應(yīng)充分考慮數(shù)據(jù)的大小，適當(dāng)增加存儲空間、運算速度、帶寬的冗余，可以有效防止數(shù)據(jù)溢出而導(dǎo)致的不可接受的系統(tǒng)故障和數(shù)據(jù)丟失。

5 體溫數(shù)據(jù)管理平臺

體溫數(shù)據(jù)管理平臺是基于Web搭建而成，分為醫(yī)院管理、監(jiān)控管理、報警中心3個主要的板塊。其中，醫(yī)院管理板塊主要包括醫(yī)院信息、科室信息、醫(yī)護(hù)人員、病房信息、病人管理、設(shè)備管理6個功能模塊；監(jiān)控管理板塊主要包括體溫監(jiān)控、溫度曲線2個功能模塊。首次使用該平臺時，需要完成醫(yī)院管理板塊信息的錄入，依次完成醫(yī)院信息、科室信息和病房信息，完善該科室醫(yī)護(hù)人員名單。當(dāng)有患者開始佩戴體溫監(jiān)測終端前，醫(yī)護(hù)人員應(yīng)首先在體溫數(shù)據(jù)管理平臺完善病人信息，為該病人設(shè)置異常溫度報警閾值；并在平臺上錄入體溫監(jiān)測終端唯一識別碼，為患者綁定該溫度監(jiān)測設(shè)備。設(shè)備綁定并正確佩戴后，醫(yī)護(hù)人員可在監(jiān)控管理板塊的體溫監(jiān)控功能中查看患者的實時體溫，也可以通過溫度曲線功能查看患者在過去一段時間內(nèi)的溫度變化情況。當(dāng)患者溫度達(dá)到或超過醫(yī)院人員預(yù)先設(shè)定的溫度報警閾值時，報警中心板塊會發(fā)出警報提示，通知醫(yī)護(hù)人員盡快做出處理。

6 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要包括安全測試和性能測試。安全測試主要分為發(fā)射試驗和抗擾度試驗；其中，發(fā)射試驗主要為輻射發(fā)射試驗；抗擾度試驗主要包括靜電放電（ESD, Electro-Static Discharge）抗擾度試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗。安全測試和性能測試主要委托第三方具有相關(guān)資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)檢測。

性能測試主要包括功耗、必要的產(chǎn)品警示標(biāo)識、體溫監(jiān)測終端測溫準(zhǔn)確度、精確度等方面，產(chǎn)品的性能應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。體溫監(jiān)測系統(tǒng)測試主要參照的標(biāo)準(zhǔn)主要為國家標(biāo)準(zhǔn)[4]：醫(yī)用電子體溫計國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21416-2008；醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]：臨床體溫計連續(xù)測量的電子體溫計性能要求YY 0705-2010。其中，在體溫為25℃～45℃時，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的連續(xù)測溫最大允許誤差應(yīng)是±0.2℃。而在溫度為37.0℃～39.0℃時，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許誤差為±0.1℃。

將體溫監(jiān)測終端探頭至于校準(zhǔn)過的恒溫水槽中，同時使用高精度的水銀溫度計對比測試，測試時間為72h。測試期間，測試前30h，恒溫水槽溫度保持在35.3℃；測試后42h，恒溫水槽溫度保持在37.1℃，每間隔10h及恒溫水槽溫度改變前后均記錄高精度水銀溫度計測量值，并與恒溫水槽、無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)測量值進(jìn)行對比。當(dāng)恒溫水槽溫度保持在37.1℃時，如圖2所示截取部分測試數(shù)據(jù)，可以看到溫度數(shù)據(jù)在37.11℃～37.12℃之間變化，與恒溫水槽溫度誤差在0.02℃之內(nèi)。經(jīng)臨床測試，在有效體溫范圍內(nèi)無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的誤差均在0.06℃之內(nèi)，符合上述兩個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所提及的測溫誤差范圍。

圖2 溫度測試數(shù)據(jù)Fig.2 Temperature test data

在功耗測試中，實測體溫監(jiān)測終端搜索中繼器期間平均電流為3mA，瞬時電流為20mA；體溫監(jiān)測終端設(shè)備與中繼器連接成功后，平均電流為0.4uA，體溫數(shù)據(jù)采集、計算和發(fā)送瞬時電流為1mA。體溫監(jiān)測終端實測有效工作時間為9天，升級后的體溫監(jiān)測終端有效工作時長提升20%以上，能有效滿足大多數(shù)患者一個住院周期內(nèi)的連續(xù)體溫監(jiān)測。

7 總結(jié)

基于LoRa無線傳輸技術(shù)搭建的無線局域網(wǎng)能有效擴(kuò)展無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的覆蓋面，使得醫(yī)院整個院區(qū)多棟住院大樓成為一個監(jiān)測整體，方便服務(wù)器布置和數(shù)據(jù)管理。該系統(tǒng)已完成醫(yī)療器械注冊檢驗，正在進(jìn)行臨床試驗。截至目前，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，用戶反饋信息良好。從反饋信息可以得知該系統(tǒng)能有效減少醫(yī)護(hù)人員對患者進(jìn)行體溫數(shù)據(jù)監(jiān)測的工作量，提升醫(yī)護(hù)人員的工作效率，體溫數(shù)據(jù)管理平臺符合醫(yī)護(hù)人員的使用習(xí)慣，系統(tǒng)整體符合臨床實際應(yīng)用需求。該系統(tǒng)也同步在養(yǎng)老社區(qū)推廣試用，接下來將針對性地對養(yǎng)老社區(qū)的特定需求進(jìn)行改良，盡可能地符合養(yǎng)老社區(qū)特定人群的使用習(xí)慣，滿足養(yǎng)老社區(qū)應(yīng)用場景，提升養(yǎng)老社區(qū)對特定人群的監(jiān)測和管理水平。

引用

[1]黃二亮,卜祥磊,謝衛(wèi)華,等.基于無線技術(shù)的住院患者體溫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究,2019,38(2):247-251.

[2]熊強(qiáng)強(qiáng),尹建平,曾美琳,等.一種基于Lora無線局域網(wǎng)的智能型醫(yī)用點滴監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2021,44(2):10-14.[3]唐山.基于LoRaWan的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2018.

[4]國家食品藥品監(jiān)督管理局.GB/T 21416-2008.醫(yī)用電子體溫計[S].

[5]國家食品藥品監(jiān)督管理局.YY 0785-2010.臨床體溫計連續(xù)測量的電子體溫計性能要求[S].