新生兒監護病房無線體溫監測系統設計

張賽 戴一鳴 張慧慧 柴蘇婉 王一哲

摘 要：體溫是臨床上用于醫療診斷和病人監護常見且重要的生理參數。本文提出一種用于新生兒監護病房的無線體溫監測系統，主要由體溫采集節點、路由節點和控制中心組成。體溫采集節點獲取的體溫數據通過ZigBee無線網絡直接或間接通過路由節點中轉上傳至護士站的控制中心，然后利用PC機上位機軟件實現體溫數據的接收、存儲、顯示和異常報警。該設計能準確、高效、動態反應體溫變化，大大減輕醫護人員的工作量并提高其工作效率。

關鍵詞：ZigBee;體溫監測;數字體溫傳感器

1 緒論

體溫是基礎生命體征之一，是判斷人體健康尤其是新生兒健康與否的重要依據。根據新生兒監護病房要求，醫護人員2～4小時便要測一次新生兒體溫。目前新生兒監護病房常用的體溫計主要是水銀體溫計。[1]水銀體溫計價格便宜，準確度可靠，但是水銀體溫計測溫時間較長，一般需要5 min左右，使用時需放在新生兒肩胛下，[2]會帶來一定不適感。近年來，隨著電子技術的飛速發展，醫療監護獲得了更為廣闊的發展空間，將無線傳感器網絡應用于醫療的案例也越來越多。為解決現有新生兒體溫監護中存在的問題，本文設計了一種基于ZigBee的無線體溫監測系統。

2 方法

2.1 總體方案

ZigBee是一種短距離無線通信技術，基于IEEE802.15.4標準，具有低功耗、低成本、低復雜度、多節點等優點。ZigBee的網絡設備主要分為協調器、路由器和終端節點，網絡拓撲結構主要有星型網絡和網狀網絡兩種。星型網絡僅包含一個協調器節點和若干個終端節點，每個終端節點都只能與協調器進行雙向通信，適用于數據傳輸范圍小，節點數量少的場合。而網狀網絡由一個協調器和一系列的路由器和終端節點組成，具有更加靈活的信息路由，使得信息的通訊變得更有效率，增強了通訊的可靠性。根據我國大部分醫院病房分布在護士站的兩側的特點，對于距離護士站較遠的病房，需通過路由中繼。

根據ZigBee網狀網絡的控制機制，設計的系統包含三層硬件結構：第一層是控制中心，第二層是路由節點，第三層是體溫采集節點。三層硬件結構都需配置ZigBee模塊，設置相應的設備類型，實現ZigBee網絡的組建。控制中心相當于整個系統的網關，配置ZigBee協調器模塊，負責建立、管理和維護 ZigBee 網絡。控制中心還帶有通信接口，用于與上位機連接，實現上位機與控制中心之間的交互式通信。體溫采集節點佩戴在新生兒身上，功能是采集新生兒體溫，并經ZigBee無線網絡發送至控制中心，因此體溫采集節點的ZigBee模塊配置為ZigBee終端節點，通過ZigBee終端節點加入控制中心建立的ZigBee無線網絡，將采集的體溫數據傳送至控制中心。路由節點配置為ZigBee路由器，是信息的中轉站，系統設置多個路由節點分別安裝在不同的病房門口，距離路由節點較近的體溫采集節點采集的體溫數據通過相應的路由器中轉至控制中心，再由控制中心上傳至上位機顯示存儲。新生兒監護病房無線體溫監測系統的整體結構如圖1所示：

2.2 控制中心

控制中心是ZigBee傳感器網絡的中心，網絡的建立和維護管理都由其擔負，通過無線信道與路由器節點聯系，通過有線接口與上位機通信。ZigBee網絡的建立與控制采用德州儀器SOC芯片CC2531，是一款具有USB功能的片上系統解決方案。它內置ZigBee 2007 協議棧，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee 協議，具備出色的接收靈敏度和抗干擾性，只需極少的外圍電路就能實現 ZigBee組網。

CC2531芯片支持標準USB2.0 通信規范，只需簡單的電路連接USB接口器件就可實現與PC的虛擬串口通信，減小電路的體積與設計成本。通過USB接口還可以從PC獲取5V 電源，經電源轉換成3.3V即可為CC2531提供工作電源。控制中心硬件框圖如圖2所示。

2.3 體溫采集節點

為方便攜帶以便實時測量體溫，體溫采集節點采用可充電電池供電，節點的硬件設計要相對簡單，功耗要低且體溫測量精度要高。體溫采集終端主要包含數字溫度傳感器和ZigBee終端。

2.3.1 數字溫度傳感器

傳統的體溫測量主要是采用負溫度系數的熱敏電阻（NTC熱敏電阻）作為溫度傳感器。NTC熱敏電阻精度不高，而且電路設計復雜。現如今市場上出現了大量的數字傳感器芯片，具有精度高、無需校正、無需模擬電路設計等優點。下表列出了市場上常見的幾款數字溫度傳感器。綜合考慮精度、功耗、接口等因素，本文選用T2545。

2.3.2 ZigBee終端節點

ZigBee終端節點即為設置ZigBee設備類型為終端的ZigBee模塊。CC2530是CC2531的姊妹設備，和CC2531的區別在于它不具有USB功能。使用CC2530芯片設計了一個通用 CC2530 最小系統模塊，作為ZigBee終端節點。ZigBee終端節點與數字溫度傳感器T2545通過UART接口相連。

2.4 路由節點

路由節點作為數據通信的中繼，用于擴大網絡的通信距離，降低終端節點的通信功耗。將CC2530 最小系統模塊模塊設置為路由器設備類型作為路由節點。

2.5 軟件流程

軟件設計包含驅動程序和無線網絡通信程序兩個部分。驅動程序主要是體溫采集節點中數字溫度傳感器進行體溫數據的采集、運算和數字信號輸出。為了簡化體溫采集節點中T2545體溫采集的過程，T2545設置為1S檢測一次體溫數據，并通過串口自動輸出上傳至ZigBee終端節點。無線網絡通信程序根據ZigBee協議棧開發。

系統上電后，控制中心和路由節點、體溫采集節點進行設備初始化，三者之間搭建ZigBee網絡通信平臺。系統各部分軟件流程圖如圖3所示：

圖3 系統軟件流程圖

控制中心負責完成網絡組建、維護、控制終端節點的加入等，并將收到的數據通過USB接口傳送至上位機存儲與顯示。在整個系統的數據傳遞方面，協調器就相當于一個信息中轉站，負責將體溫采集節點采集的溫度數據中轉給上位機。

體溫采集節點上電后，ZigBee模塊進行初始化并加入ZigBee網絡，T2545在穩定之后自動按設置的定時時間檢測新生兒體溫，并通過串口自動發送到ZigBee終端節點。ZigBee終端節點收到串口數據通過ZigBee無線網絡上傳至控制中心。對于距離控制中心較遠的ZigBee終端節點，則通過路由節點中轉至控制中心。

3 結語

本文提出一種用于新生兒監護病房的無線體溫監測系統，采用數字溫度傳感器T2545實現新生兒體溫的實時采集，通過ZigBee無線網絡上傳體溫數據至護士站。與傳統手持式水銀溫度計人工定時測溫并記錄相比，本系統實現了無線、快速、準確、實時的體溫監測，大大提高了體溫醫療監護的水平，具有較高的使用價值。

參考文獻：

[1]任艷芳，李淑蘭，甄麗娟，等.新生兒水銀體溫計腋溫測量時間的探討[J].中國醫刊，2015（3）：100-102.

[2]王蘭鋒.新生兒重癥監護室患兒測量背部肩胛溫的方法和時間新探討[J].國際護理學雜志，2012，31（4）：702-703.

[3]石波，張賽，張根選，等.面向醫學院校的單片機課程實驗教學設計[J].齊齊哈爾醫學院學報，2018，39（2）：218-219.