基于云平臺的新生兒培養箱中央智能監護系統的設計與應用

孫少平，張俊，李元峻，周云波，張俊鵬

1. 玉溪市人民醫院，云南 玉溪 653100；2. 玉溪師范學院，云南 玉溪 653100；3. 大理大學，云南 大理 671000

引言

新生兒培養箱已被廣泛應用于各醫院的新生兒科和婦產科，它的安全與患者的人身安全直接相關，必須進行嚴格的質量控制[1]。實際上，隨著新生兒培養箱的廣泛應用，由培養箱內部溫度失控、報警失靈等引起的不良事件及醫療事故越來越多[2-3]。根據國家食品藥品監督管理總局發布的醫療器械不良事件信息通報（2012年第4期），自2002年至2011年10月，國家藥品不良反應監測中心共收到有關嬰兒培養箱的可疑醫療器械不良事件報告332份，其中溫度失控多達167例[4-5]。而2016年國家醫療器械不良事件年度監測報告顯示，排名前10的有源醫療器械就包括嬰兒培養箱，其中溫度失控占比較大。

目前，玉溪市人民醫院已有幾十臺嬰兒培養箱，而隨著人民群眾醫療需求的不斷提升，嬰兒培養箱數量勢必繼續增長。由于嬰兒培養箱品牌不同和實時監測系統標準缺乏，已有的嬰兒培養箱群還沒有形成培養箱溫濕度監測網絡系統。新生兒監護室里有限的醫護人員對嬰兒培養箱群進行溫濕度的監護工作力不從心，承受更多的精神壓力[6]。如何讓有限的醫務人員在面對數十臺處于工作狀態的新生兒培養箱時，能有效的監控設備的運行情況，掌握箱內的各種變化并在出現報警時快速做出反應，已經成為各大醫院新生兒科和婦產科亟待解決的問題[7]。

目前，國內對新生兒培養箱狀態監測的研究主要集中在質量控制領域和無線數據傳輸方面，遠遠達不到實時狀態監測效果[8]。國外對新生兒培養箱的監測研究起步較早，相繼推出了多款監測產品，但這些產品多數用于醫療技術人員的調試方面，對于監測培養箱的實時工作情況并不適用。因此，針對新生兒培養箱監控系統的研究仍屬于一個較新的領域。目前，市場上還沒有相對成熟的產品來解決不同地區不同等級醫院的需求，無法滿足大規模使用新生兒培養箱的實時和集中監測需求[9]。

基于此，新生兒培養箱中央智能監護系統的設計與應用旨在解決上述問題，不僅對培養箱的臨床應用和安全監測具有重要意義，而且在保障患者安全的同時，還能有效防止醫療糾紛和不良事件發生。

1 系統硬件設計

本系統從結構上分為兩部分：前端采集系統和接收主機。前端采集部分由微處理器、溫濕度傳感器、無線傳輸模塊組成，其作用是完成培養箱各測量點的溫濕度數據采集工作，同時將有效數據傳輸給接收主機。接收主機由物聯網關組成，其作用是接收采集器傳輸的溫濕度監測數據，并將數據傳輸給本文設計的培養箱中央智能監護系統云平臺。

本文采用無線溫濕度傳感器，測量新生兒培養箱內部溫濕度數據。將無線溫濕度傳感器模塊終端安放在培養箱內部，溫濕度采集終端采用3.6 V電池供電，采集數據通過無線方式傳送，傳感器可根據實際監測需求靈活放置。同時，采用無線數據傳輸方式將周期性采集的數據實時、精準、快速的傳輸到指定接收設備，實現數據交互。

如圖1所示，無線溫濕度傳感器設計由微處理器、溫濕度傳感器、無線收發模塊、電源等集成，形成無線溫濕度傳感器模塊。其中微處理器采用高性能、低功耗的8位AVR系列微處理器ATmega16L[10]；溫濕度采集單元采用瑞士Sensirion公司生產的sht30集成式數字溫濕度傳感器，該傳感器測溫范圍為-40℃～+85℃，測量精度為：±0.3℃（0℃～65℃），±1℃（其他溫度范圍），濕度測量精度：±3%RH（10% RH～90% RH）；無線收發模塊采用Nordic VLSI公司最新封裝改版的微功率RF905RD，該無線通訊芯片工作于433 MHz全球開放ISM頻段免許可使用，集成度高，通訊穩定，傳輸直線距離150 m左右，信號可覆蓋3層樓，完全滿足培養箱的溫濕度監測要求[11]。sht30溫濕度傳感器與微處理器之間采用Modbus協議進行通訊，完成培養箱各點的采集任務；RF905RD無線通訊芯片使用SPI接口與微處理器進行通信，完成整個數據接收和發送過程。微處理器控制溫濕度傳感器sht30采集培養箱的溫濕度，然后利用RF905RD無線收發模塊將采集到的溫濕度數據發送給溫濕度網關設備進行下一步處理。

圖1 無線溫濕度傳感器模型

此無線溫濕度傳感器可與物聯網關配套使用，所有傳感器采集的數據都要匯集到網關中，所有對終端的控制指令也都通過網關向下發送，可支持30路溫濕度采集器。網關內置操作系統，可對網絡和數據進行維護和存儲，同時具備遠程傳輸能力，通過對物聯網關硬件參數的解析，利用以太網或局域網將無線溫濕度傳感器的數據信息匯集到云平臺進行存儲。本研究設計的新生兒培養箱中央智能監護系統與云平臺進行數據對接，實現遠程監測。無線溫濕度傳感器與物聯網關的應用模型如圖2所示。

圖2 傳感器與物聯網關應用模型

2 系統軟件設計

2.1 系統架構及關鍵技術

本系統主要通過外置無線溫濕度傳感器對培養箱內溫濕度數據進行實時采集，通過采集網關將數據傳送到云端上的培養箱中央智能監護系統。此系統數據存儲在云端，用戶可通過多終端進行訪問。其架構如圖3所示。

圖3 系統架構圖

整個系統構架有如下特點。

（1）無線傳感器的雙向控制技術對新生兒培養箱中的溫濕度進行實時監測，將采集到的數據采用無線傳輸方式通過物聯網關傳送到中央監護平臺。為了提高溫濕度傳感器的可靠性，采用雙溫濕度監測模式，確保新生兒培養箱內的溫濕度在任何時候都處于安全可控的范圍。同時，定期對溫濕度傳感器進行比對，確保溫濕度傳感器性能的穩定性。由于系統架構采用外置無線溫濕度傳感器來采集信息，對不同品牌的新生兒培養箱有較強的兼容性，均可實現溫濕度采集。

（2）中央智能監護平臺是整個研究的核心部分。平臺數據庫部署在云端，用于大數據的處理和存儲。系統增加了備份數據庫，用于定時對數據進行雙機備份，避免數據的丟失和損壞。智能監護系統可向醫護人員發出聲光結合的報警，還可利用中央智能監護平臺對Wi-Fi智能插座進行雙向控制，實現自動斷電或請求人工遠程斷電等智能化操作。同時，醫護人員可對數據進行實時監控及歷史數據調閱，為醫療質量與安全提供時間、行為、位點的有力支撐。

（3）支持多終端訪問，除本地網絡系統外，支持廣域網、云平臺對接，多終端訪問要求。對現有的Web技術進行整合后，實現中央智能監護平臺在多終端設備上的應用。

2.2 系統平臺建設

新生兒培養箱中央智能監護系統采用B/S模式構建支撐，所用核心開發語言為Java語言，依托IntelliJ IDEA平臺開發了整個系統。采用多層分布式體系結構：顯示層、表示層、業務層、持久層和數據訪問層。其中使用Spring MVC作為后端與前端進行對接的基礎架構。利用Spring Data框架與數據庫進行持久化管理提供支持[12]。運用Spring進行業務邏輯的處理以及對Spring MVC和Spring Data進行調配管理。數據庫部分主要采用Oracle 11g進行系統中數據的存儲與管理。系統平臺建設結構如圖4所示。

圖4 系統平臺建設結構

2.3 系統功能模塊

新生兒培養箱中央智能監護系統主要是對各個分散的培養箱進行溫濕度監測。該系統包括培養箱實時監控、培養箱和傳感器設置管理、用戶基礎設置管理、歷史監測數據查詢統計等主要功能模塊。系統功能模塊如圖5所示。

圖5 系統功能模塊

（1）培養箱實時監控。系統主頁顯示各個培養箱的溫濕度情況，當某一培養箱的溫度和濕度超過設定值時，系統會自動報警，并在主界面滾動顯示異常培養箱所在位置和當前的溫濕度值，提醒醫護人員及時進行查看和處理。

（2）培養箱和傳感器設置管理。此模塊主要實現培養箱和傳感器基本信息的錄入、性能狀態和使用記錄的查詢。培養箱的基本資料包含培養箱名稱、出廠編號、廠牌型號、啟用時間、培養箱位置、運行狀態以及與之關聯的傳感器的名稱；采集器的基本資料包含采集器名稱、廠牌型號、網關唯一碼、分組編號、采集器ID、啟用日期、溫濕度正常值和上下限值等。其中培養箱和采集器是一一對應的關聯關系，可方便醫護人員及時、準確定位培養箱的具體位置，出現異常時做出響應。

（3）用戶基礎設置管理。主要功能有用戶信息管理、角色信息管理、用戶角色關聯、模塊信息管理、系統設置等模塊。通過不同的賬號進入系統界面所顯示的信息不同，實現分級管理。

（4）歷史監測數據查詢統計。主要功能有監測信息和監測數據圖模塊。實現對培養箱不同時間段的溫濕度監測數據和報警記錄的查詢和統計，同時實現對溫濕度監測數據趨勢圖的可視化。

3 系統測試及臨床應用

本文基于云平臺設計了一套新生兒培養箱中央智能監護系統，該系統可對各個培養箱的溫濕度數據進行采集并實現集中動態監測管理，同時對異常數據進行報警。

3.1 系統測試結果

培養箱中央智能監護系統測試首頁如圖6所示，將無線溫濕度傳感器置于不同的溫濕度環境。系統主界面可顯示每臺在線傳感器的實時狀態和報警信息，同時屏幕滾動提示異常溫濕度傳感器對應培養箱所在的位置和當前溫濕度，通過不同的顏色區分異常數據。系統主界面只顯示當前運行參數，可點擊圖標進行詳細數據和圖形的查看。

圖6 系統測試首頁

3.2 臨床應用效果

隨機選取五個培養箱進行實時監測，溫度設置為36℃，機器箱溫顯示為1號培養箱（35.9℃）、2號培養箱（35.8℃）、3號培養箱（35.9℃）、4號培養箱（36℃）和5號培養箱（35.8℃）。將五個無線溫濕度傳感器分別置于不同培養箱的同一位置進行監測，系統監測結果如圖7、圖8所示。圖7為被監測培養箱的實時溫濕度數值，監測結果與培養箱設定溫度以及培養箱控溫儀上顯示的箱溫相差較小，監測效果良好；圖8顯示單個培養箱的溫濕度監測信息，從監測局勢圖可以看出無線溫濕度傳感器監測的溫濕度數據穩定，可靠性高。

圖7 系統監測結果

圖8 培養箱一溫濕度監測數據圖

3.3 臨床監測數據

所有培養箱的溫濕度監測數據，可通過歷史數據中的監測信息進行查詢，也可根據實際需求進行自定義查詢。圖9為五個培養箱的實際監測數據，監測所得的信息可以導出進行臨床數據分析。

圖9 系統監測數據

4 結論

本文基于無線傳感器網絡背景展開，將各個分散的培養箱進行集中聯網管理，并設計采用無線溫濕度傳感器對新生兒培養箱的溫濕度情況進行動態監測。同時，將所獲得的數據信息通過無線通信的方式傳輸到中央智能監護平臺云服務器上，并由中央智能監護平臺將傳感器數據信息進行保存和處理。本研究所設計的系統可采用多終端訪問的方式對新生兒培養箱實施24 h智能化監控。此研究是完全獨立的自主設計，是對現有嬰兒培養箱廠家的溫濕度體系和報警體系的一種監測和補充。在設備故障、溫濕度監測失控時，使嬰兒培養箱多了一層保障，能夠使醫護人員在最短的時間內進行有效的處理，保障患兒安全，減少不良事件發生。所監測的培養箱溫濕度數據與原機檢測數據進行比對，實現對各品牌培養箱的性能監測和評估，及時發現設備安全隱患，提高設備的整體性能，降低設備維護成本，提高工作效率。同時，本監護系統所得數據可以作為應對潛在醫療糾紛的證據支持。