NICU培養箱溫度無線監測系統的研究與設計

何逸開+王敏

摘 要： 研究設計了Zigbee無線傳感網絡框架下的新生兒培養箱實時溫度監測系統。以柔性貼片式體溫傳感器和CC2530射頻芯片為核心，設計了信息采集節點，并基于CC2530加UART接口設計了協調器節點和網關，實現數據的遠程傳輸。護士工作站監護軟件可以從智能網關中實時讀取箱溫和體溫數據，進行分析比對監測，并自動生成體溫單圖表。

關鍵詞： 無線傳感網絡； ZigBee技術； CC2530； 新生兒培養箱； 溫度監測

中圖分類號：TP302.1 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-40-03

Research and design of wireless temperature monitoring system for NICU incubator

He Yikai， Wang Min

（Information Department of Shaoxing Women&Children's Hospital， Shaoxing， Zhejiang 312000， China）

Abstract： The real time temperature monitoring system of neonatal incubator based on ZigBee wireless sensor network is designed. The information acquisition node is designed based on the flexible body temperature sensor and CC2530 RF chip； the coordinator node and gateway are designed based on CC2530 and UART interface to realize the remote data transmission. The nurse workstation monitoring software can read the temperature data of body and incubator from the intelligent network in real time， analyze and compare the monitoring， and automatically generate the temperature chart.

Key words： wireless sensor network； ZigBee technique； CC2530； neonatal incubator； temperature monitoring

0 引言

在美國每年有10%的嬰兒需要在新生兒重癥監護中心（NICU）接受看護。中國隨著二胎政策的全面放開，勢必面臨著NICU病人增多，護理難度增大等問題。目前的嬰兒培養箱雖然能為新生兒提供適宜的溫度和濕度環境，提高早產兒的存活率，但新生兒體溫的采集和監測都還停留在人工測量、記錄階段，消耗大量的人力物力，工作效率低，對新生兒身體狀況指標缺乏及時的了解，造成護理安全隱患。如何通過ZigBee無線傳感網絡框架將獨立的嬰兒培養箱整合到一個完整的監測系統內，使培養箱箱溫和新生兒體溫變化實時地呈現到護士工作站PC端界面，從而減輕護士工作量，提高效率，這些是本文討論和研究的重點。

1 系統架構設計

ZigBee無線通信技術使用2.4GHz波段，采用跳頻、擴頻技術，可與254個節點聯網，是一種低功耗、低成本、時延短的短距無線通訊技術[1]，與傳感器結合就能組建ZigBee無線傳感網絡，實現一點對多點通信，ZigBee網絡節點按功能分為三大類：協調器節點、路由器節點、終端節點。

協調器節點主要功能是啟動ZigBee無線網絡，接收終端采集節點、路由節點發送的數據，在系統中實現數據的匯聚和與PC機的串口通信。路由節點與協調器節點組成數據傳輸網絡，主要負責接收采集節點發送的數據包并將數據包進行路由，傳送至協調器。終端采集節點實現的功能主要包括狀態指示、數據采集、與路由節點協同實現體溫數據的發送，并在保證工作性能的情況下盡量降低功耗。

根據實際情況和用戶的需求，一定數量的節點可以組成3種不同拓撲結構的網絡，分別是星形網絡、樹形網絡和網狀網絡[2]。由于NICU區域面積較大監護病人較多，因此本系統在這樣場所使用樹形網絡。

本系統使用基于ZigBee的WSN技術，借鑒了國內外醫療監護研究經驗，設計了系統架構圖，如圖1所示。其中S1，S2，S3……分別代表各個保溫箱的溫度信息采集終端節點，系統框架由數據采集終端節點、路由節點、協調器節點、護士站PC監護終端和數據庫五部分組成。

溫度信息采集終端節點可實時進行新生兒體溫和培養箱箱溫的信息采集。路由節點負責數據包轉發和子節點管理，擴大網絡覆蓋范圍。協調器負責建立并維護網絡，發揮網關的作用，收集節點采集的生理信息和網絡布局信息，通過UART的方式傳到與之相連的護士站PC監護終端，終端的應用程序將數據進行分析、以動態體溫單的形式展示并將病人信息體溫數據及時存儲到數據庫中。

2 硬件功能模塊設計

本系統的終端采集節點、路由節點和協調器節點都以CC2530芯片為核心，CC2530芯片是一款真正的SoC，它將一個完全集成的、性能優秀的RF收發器與一個增強型8051微處理器內核結合起來，因此用一片CC2530芯片和少量外圍電子元器件組成的電路就可以實現無線通信和數據處理[3-4]。

本系統中路由節點結構相對簡單，硬件上只要在數據采集節點基礎上去掉相關醫療傳感器即可，軟件實現方面也與數據采集節點相同。因此下面重點講述數據采集節點和協調器節點軟硬件研究與設計。

2.1 溫度信息采集終端節點

2.1.1 硬件組成

溫度數據采集節點主要由fever scout，DS18b20兩種溫度傳感器以及CC2530射頻芯片加外圍數模轉換電路組成，該節點具有可穿戴式、體積小、能耗低、測量準確等優點。其結構如圖2所示。

為了使終端采集節點小型化，盡可能地減少外設，所以設計時采集節點模塊不包含調試接口，設計電路板時采用扣板式，分為帶CC2530芯片的主控制板和電源板，用排針將CC2530的相關引腳從主控制板引出，扣接到電源板上，使用時先將主控制板從電源板上取下，接到帶有調試接口的電源擴展板上下載應用程序然后重新組裝。

Fever Scout是一個由柔性硅樹脂和聚氨酯制成的小貼片，含有VivaLnk eSkin電子皮膚，VivaLnk eSkin是嵌入平面微傳感器的軟膜，傳感器可監測體溫。它是由印刷工藝在薄膜基板上制成，厚度僅大約15μm，柔軟可彎曲。靈敏度高達0.02℃，響應速度也高達100ms。貼片通過一次性醫用敷料或膠帶貼到新生兒身體腋下皮膚表面，從而實現對嬰兒體溫的實時測量。而DS18b20是一種單總線式數字溫度傳感器，精度可達到0.5，默認精度可達0.625，具有結構簡單、成本低廉、便于擴展維護等特點[5]，另外，DS18b20是溫度-電流傳感器，可有效提高系統抗干擾能力，實現對培養箱箱溫的準確測量。

2.1.2 片上軟件設計

溫度信息采集終端節點的軟件設計要滿足以下幾點：低功耗、快速反應、測量準確。本系統采用模塊化設計，功能模塊分為：中斷處理模塊、傳感器驅動模塊和通信協議模塊。為了降低節點功耗，本系統采用休眠-喚醒的機制。當節點不工作時，節點處于休眠低功耗狀態，當收到護士站PC端監護程序命令時，產生中斷節點停止休眠，啟動測量程序。驅動設計結合通信協議棧，嚴格控制時鐘時序，迅速讀出溫度傳感器的測量結果。

由于DSl8820測量具有一定的誤差，所以本系統采用軟件補償的方法，使用最小二乘法優化測量結果。該方法常用于數據的優化，一般方法是尋找最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。本系統的做法是對給定的m個數據組（Xi，Yi）（i=0，l，…，m），其中Xi為測量值，Yi為真實值。采用函數擬合的方法求得函數f（X），使誤差的平方根最小，其中誤差ei=f（Xi）- Yi。本系統測量20組的測量值和真實值（Xi，Yi），按照線性關系擬合出函數f（X）=a（x）+b，通過實際測量可以將精度控制在±0.1。

2.2 協調器節點

協調器節點功能相當于智能網關，在本系統中可以作為網關與上位機通信的硬件，結構組成如圖3所示，包括CC2530射頻模塊、仿真下載模塊、開關指示電路、UART和USB接口等。與數據采集節點相比多了接口模塊。接口模塊用于與護士站PC端通信，設計UART和USB兩種接口，使系統具有可擴展性。

軟件實現按功能劃分模塊包括：網絡建立模塊、節點管理模塊、數據接收模塊、數據上傳模塊[6]。網絡建立模塊通過使用ZigBee通信協議，首先進行網絡參數配置，然后尋找可利用信道，建立網絡，最后是允許其他節點加入。節點管理模塊負責節點的加入和脫離，給節點分配地址，使整個網絡具有自適應性和自愈性。數據接收模塊主要是通過協議?；卣{函數，將數據采集節點或者路由節點發來的數據進行接收、整理，然后通過上傳模塊發送到護士站PC端監護應用程序接口中。

3 護士站監護軟件設計

監護軟件采用基于JSP開發技術的B/S架構。B/S架構即瀏覽器和服務器結構，在這種結構下，用戶工作界面通過瀏覽器來實現，少部分事務邏輯在前端（Browser）實現，主要事務邏輯在服務器端（Server）實現，形成所謂三層3-tier結構。這種模式統一了客戶端，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。

通過JSP開發技術，用戶在瀏覽器頁面上就可以完成用戶角色管理，協調器數據的讀取，培養箱溫度信息的曲線、表格展示，數據庫存儲、查找操作，數據分析和報警等功能。數據庫采用MySQL關系型數據庫，通過JDBC語句連接，關系數據庫將數據保存在不同的表中，而不是將所有數據放在一個數據倉庫內，這樣就加快了速度并提高了靈活性。下面是對監護軟件功能模塊的簡單介紹：

⑴ 用戶角色管理

該軟件定義兩種操作角色：普通用戶與管理員，可以實現對多用戶的數據管理和操作。該模塊可以實現不同角色用戶的登錄、注冊，普通用戶可以修改自己的用戶名、密碼等基本信息。管理員可以查看所用用戶的信息以及網絡情況。

⑵ 協調器數據讀取

監護軟件通過串口與協調器節點通信，該模塊可以實現對串口的讀寫，串口參數配置，并分離出NICU培養箱的體溫和箱溫參數，傳遞給數據庫操作模塊和數據展示模塊，進行數據存儲和展示。

⑶ 數據展示和數據庫操作模塊

該模塊將協調器發來的數據在瀏覽器頁面上進行曲線、表格（體溫單）展示，護士可以直觀地看到病區內所有新生兒的實時體溫和培養箱箱溫。同時數據庫操作模塊將各種測量生理參數寫入到用戶數據庫的相應數據表中。數據操作模塊還提供增刪改查功能，護士可以查找某個病人的指定時間段內的所有體溫生理參數。

⑷ 數據分析和報警模塊

該模塊對數據進行初級分析判斷，對新生兒體溫和培養箱溫度的異常數據，進行軟件報警，同時將異常數據和相關信息寫入到系統日志中，以便日后觀察留底。同時該模塊還具有數據導出、打印等功能。

4 結束語

本文采用無線傳感網絡技術、ZigBee技術、嵌入式技術和計算機技術研究設計的NICU培養箱溫度無線監測系統，實現了網絡數字化集中監控管理，NICU護士通過本系統，能實時了解病區內所有新生兒的體溫和箱溫狀況，從而對突發情況作出及時反應。進一步滿足臨床對減少不良事件和設備安全使用的需求，提高了工作效率，對新生兒的體溫監護形成保障。

同時該系統具有低成本、低功耗、測量準確、實用性強等特點，適合在各婦幼保健醫院推廣部署，具備較好的經濟效益和社會價值。該設計在未來產品化過程中還需改進，主要有以下兩點：

⑴ 設計更多可穿戴式無線生理參數采集節點，例如：心電、血氧飽和度、血壓等生理參數，對新生兒進行全方位實時健康監護。

⑵ 協調器節點上增加3G/4G通信模塊，實現ZigBee網絡和3G/4G移動網絡的融合，新生兒父母在監護中心外也能隨時了解新生兒身體狀況，幫助構建和諧的醫患關系。

參考文獻（References）：

[1] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[S]，2010.

[2] 張大偉，陳佳品，馮潔，李振波，毛恩強.面向準危重病人的區

域化無線監護系統研制[J].儀器儀表學報，2014.35（1）：74-81

[3] Texas Instruments. CC2530 Data Sheet[S]，2010.

[4] 鄭英，李香菊，王迷迷，張立珍.基于NTC和ZigBee技術的病

房病人體溫監測系統設計[J].現代電子技術，2016.4：26-28

[5] 楊琳琳.基于ZigBee技術的體溫監測系統的設計[J].河南師

范大學，2014.1：41-45

[6] 陳早維.基于嵌入式Web的ZigBee網關的設計與實現[D].杭

州電子科技大學碩士學位論文，2014.