基于ARM的無線數據傳輸病房監護系統

廖君（通訊作者），廖華杰，蔡鴻志

（中山大學南方學院，廣東廣州，510970）

0 引言

ARM技術可以很好地滿足無線數據傳輸便于攜帶、易控制、成本低，耗能低等需求，因此，本文研究設計了一種基于ARM的無線數據傳輸智能醫療監護系統。采用基于ARM的無線數據傳輸技術，通過結合傳感器采集相應數據計算得出所需的各項生理參數，進而對患者進行實時監控，包含患者的心率、體溫等生理參數。通過無線傳輸技術，可將實時采集的數據顯示在本系統開發的醫療監護平臺的界面, 同時病人也能查看數據，隨時語音呼叫護士等功能。醫務人員在護士站平臺即可監測整個科室的患者體征數據信息和告警通告，極大地方便了病人的看護和管理，并有效的提高了醫護人員的工作效率。同時，患者可隨時查看自己的體征參數，醫生或病人家屬也可通過互聯網上的云平臺觀察其體征參數，這樣極大地免除了病人家屬在工作時，要在工作地點與醫院之間來往奔波的勞苦。

1 系統總體架構設計

基于ARM的無線數據傳輸病房監控系統架構可分為4個層面：分別是采集層、網絡層、數據處理層、護士站展示層，如圖1所示。

圖1 系統架構圖

采集層的主要負責是為整個系統提供數據來源，分別由監護部分和病床顯示部分組成。監護部分主要負責采集人體心率、體溫等生理參數，并還可采集多種可燃性氣體，例如，CO含量、甲醛含量、可燃氣體含量等。病床顯示部分可讓病人通過LED液晶屏直接觀察到自己的心率，體溫，病房的煙霧濃度等數值，病床顯示部分還配有麥克風語音采集功能，其主要負責采集病人對著麥克風說的話得到的音頻數據。對病人的各項生理參數進行動態監測，并通過無線通信的方式，將數據傳送到網絡層中。網絡層的主要負責是將采集層所采集到的數據或音頻進行轉發至數據處理層。此外，由于采集層將會采集大量的數據并通過計算輸出，因此，將采集和轉發分開工作，不僅能提高系統的實時性，還能使得整個系統的數據傳輸達到更快，更準的效果。而數據處理層的主要負責是接收網絡層轉發的數據，可進行解析，校驗，異常告警診斷，備份記錄等功能，它是通過C/C++軟件代碼實現的一套服務器程序。護士站展示層通過接收服務器的數據，并將數據在繪制圖表界面顯示，同時也會播放病人呼叫的語音，護士可以針對病人的圖表數據進行制定康復方案，當病人出現生理參數異常時，也會播放異常告警的語音。

2 系統硬件設計

硬件架構設計主要集中在采集層和網絡層設備。其中采集層主要將收集到的數據進行統一的處理，然后將數據通過網絡發送到網絡層當中，網絡層再將數據通過路由網絡轉發到數據處理層，數據處理層將接收到的數據上傳到護士站展示層上，最后醫護人員便可在平臺上查看到病人的相關數據。

2.1 采集層

該采集模塊主要包括Arduino控制傳感器、心率傳感器、體溫傳感器和煙霧傳感器。

Arduino控制傳感器最初由一個歐洲開發團隊于2005年冬季開發，它主要負責將傳感器采集到的數據加以處理并通過無線數據傳輸方式發送出去。

該系統采用Pulse Sensor心率傳感器。Pulse Sensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指、耳垂等處，利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量。傳感器對光電信號進行濾波、放大，最終輸出模擬電壓值。單片機通過將采集到的模擬信號值轉換為數字信號，再通過計算就可以得到心率數值。該Pulse Sensor心率傳感器易操作、佩戴方便、可靠性高。

體溫傳感器模塊采用DHT11溫度模塊，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。

2.2 網絡層

網絡層主要由藍牙傳輸模塊、無線WIFI傳輸模塊和嵌入式ARM架構控制終端組成。

藍牙傳輸模塊選材于藍牙HC05，它采用藍牙 2.0 協議，可與任何版本的藍牙兼容通訊，包括與具有藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、PDA、PSP等終端配對，可實現串口透傳功能。驅動 HC05 模塊時只需要使用 TTL 電平標準的串口即可(5V/3.3V 電壓均可)，支持的波特率范圍為 4800～1382400，非常適合用于單片機系統擴展藍牙特性。在系統中，作為與采集層接入設備數據傳輸的橋梁。

無線WIFI傳輸模塊通過AT指令配置，和單片機進行通信，利用WIFI進行數據傳輸，并將采集層所采集到的數據通過網絡設備進行轉發。

嵌入式終端采用GEC6818開發平臺,該平臺搭載三星Cortex-A53系列高性能八核處理器S5P6818，最高主頻高達1.4GHz，可應用于嵌入式Linux和Android等操作系統的驅動、應用開發。該終端上承載液晶屏顯示病人生理參數數據，并且實現語音交互功能。因此，醫護人員便可通過移動通信網絡查看該終端液晶屏上采集到的動態信息，從而對病人進行實時監控。

3 系統軟件設計

軟件架構設計主要功能包括無線傳輸功能，病床顯示功能，服務器數據處理功能和護士站展示功能。

3.1 無線傳輸功能

藍牙主機發送端處理流程圖如圖2所示；藍牙從機接收端處理流程圖如圖3所示；WIFI模塊處理流程圖如圖4所示。 無線傳輸功能包括使用到藍牙傳輸和WIFI傳輸。

圖2 藍牙主機發送端處理流程圖

圖3 藍牙從機接收端處理流程圖

圖4 WIFI模塊處理流程圖

3.2 病房顯示功能

病床顯示部分主要是在嵌入式終端上開發應用軟件，采用的開發環境是Linux ubuntu操作系統和QT應用程序開發框架。QT應用程序開發框架可提供給應用程序開發者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所有功能。該系統采用QT應用程序開發框架在PC上編寫LCD液晶屏顯示程序，并將程序移植到嵌入式終端的ubuntu操作系統中。在這個病人生理參數監控平臺中，病人可隨時通過查看自己的顯示屏設備，觀察到自己的心率情況和體溫值，同時也能夠觀察到病房內的煙霧濃度值。病人也可點擊發送語音按鈕，通過麥克風呼叫醫護人員。

3.3 服務器數據處理功能

服務器工作流程圖如圖5所示。服務器采用C/C++語言編寫的一套程序代碼。開發環境采用Qt creator，它包括項目生成向導、高級的C++ 代碼編輯器、瀏覽文件及類的工具、集成了Qt Designer、圖形化的 GDB 調試前端，集成 qmake 構建工具等。

圖5 服務器工作流程圖

數據處理層的功能包括：解析校驗數據，數據告警，備份記錄。服務器收到采集設備建立網絡連接，解析校驗采集數據，通過計算傳感器的數據判斷是否觸發告警，最終將會在展示層語音體現，告警記錄都將會在服務器本地進行備份。

3.4 護士站展示功能

護士站展示層主要是在PC電腦端開發應用程序。開發環境是Windows C/C++ 和Qt Creator IDE。護士站的展示包括煙霧濃度變化，病人心率變化，病人體溫變化，語音告警。當病人的數據出現異常時，將會觸發語音告警。

4 實驗驗證

采集層采集人體生理參數，經過網絡層轉發至數據處理層，數據處理層將數據上傳到護士站展示層，在終端設備上顯示。 可燃氣體濃度，心率值，心電值和體溫值如圖6所示。

圖6 各數據效果圖

當監測到指標異常時，系統會及時向醫生或醫護人員發送語音告警，為病人爭取最佳的治療時間。

5 結語

本文設計了一種基于AMR的無線數據傳輸病房監護系統，它可以實時監測病人的心率、體溫等生理數據，醫護人員可通過電腦及時了解被監護對象的各項指標。病人也可隨時查看自己的身體情況，并且可以通過語音直接呼叫護士，護士也能隨時查看病人的身體情況，并且準確定位是哪號病床呼叫，提高了工作效率。該系統具有操作方便、功耗低和的系統小型化等優點，所以非常適合在醫院和各大醫療機構中使用，也可以推廣到家庭或個人健康監測上，在醫療監護領域具有一定的應用價值。

隨著高新技術的快速發展，智能化病房監護系統的發展前景將變得蔚為壯觀。該系統未來可與各大醫院或醫療機構合作，通過建立大型數據庫，保存患者的體征參數，建立疾病檔案，為心腦血管疾病、冠心病等問題疾病的研究提供數據樣本。

在不久的將來，該系統也會增加手機監測軟件功能，讓醫務人員可以在手機端或PDA終端實現移動監控。同時患者和患者家屬也可以通過手機端來訪問監護數據，并能接收醫生建議實現更加智能化的人機交互。

伴隨著5G網絡技術的飛速發展，未來可增加視頻會診功能布局各大社區醫療機構和居家老人日常醫療監護，同時，醫生可通過病人上傳的體征生理參數信息，可及時對病人的病情或健康狀況進行診斷，并通過遠程視頻或語音的方式與病人溝通，這樣極大地節約了醫療資源。這樣便能夠更好的適應今后智能化醫療的發展需求。