基于物聯網的病房智能環境監控系統的研發

華月 王家琦 余鵬 王江徽

摘要：研究表明，建設與應用智能遠程醫療平臺是提高醫療衛生資源配置利用率的重要手段，也是變革現有醫療服務模式的有效工具。物聯網病房環境監控系統是一種應用于醫院病房用來遠程實時監控病房環境的專用系統，基于物聯網感知層、網絡層和應用層制作。感知層自動采集病房環境參數，利用ESP8266 WIFI模塊遠程將環境數據傳輸到服務器上。醫務人員可通過移動終端系統查詢病房環境參數并進行環境監控。實踐表明，該系統對提高醫院護理水平，加快醫院運作的現代化管理進程，具有可靠的使用價值。

關鍵詞：物聯網技術;Android App技術;WIFI傳輸協議;病房環境監控系統

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0061-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

未來5-10年醫院信息化建設的應用發展要求在國家衛健委最新發布的《關于印發全國醫院信息化建設標準與規范（試行）的通知》這一文件中被提出。文件中明確了醫院信息化的建設要求及內容，指明二級及以上醫院需要從軟硬件、新興技術應用等方面建設覆蓋醫院主要業務的信息化系統，滿足醫院臨床業務、醫院管理等工作需求，規范做好醫院信息化建設。

傳統醫療模式的弊端導致了一系列醫療混亂問題，從而引發了醫院對傳統醫療模式的改革需求。信息化和物聯網技術的飛速發展與普及，改變了醫院的服務理念和方式，為醫療領域的應用拓展提供了十分廣闊的空間，整個醫療行業進入一個革新的時代。利用計算機和網絡等現代科學技術的先進成果，改善傳統病房環境監控系統勢在必行。智能化的醫院病房環境監控系統將在住院患者，尤其是危重病人的康復過程中起重要作用。醫護人員可通過病房環境監控系統隨時獲取病人基本健康狀況，監測病房內環境情況并做出細微調節，這將進一步改善醫院病房的服務環境，加快醫院運作的現代化管理進程。

本系統是應時而生的基于物聯網的病房環境監控系統[1]，由感知層、網絡層和應用層三層組成。醫護人員可以通過本系統及時了解病房內環境相關信息和患者基本健康狀況。實踐結果顯示，該系統可實現病患身體基本信息狀況的實時獲取和記錄，同時還可實時監測到病房內的環境情況，此系統具有相對可靠的使用價值。醫院可通過此系統進一步改善住院患者的居住環境，提高醫院護理水平，改進醫院環境管理及運營模式，促進醫院信息化建設。

1 系統整體結構

物聯網病房環境監控系統以物聯網的感知層、網絡層、應用層三層體系結構為依據[2]，感知層部分主要由溫濕度傳感器和空氣質量傳感器組成，實時監控病房環境數據;網絡層由ESP8266 WiFi[3] 網絡模塊與位于底層的感知層相連，實現數據的傳輸，將大量感知到的信息傳遞給應用層;應用層由移動App、云端數據庫和微信小程序組成，將病房實時數據可視化顯示。醫護人員成功完成身份識別后，可通過移動App實時獲取病房環境數據，當病房環境變量（溫濕度數值、空氣質量指數）達到設置閾值時，蜂鳴器與 LED 燈會根據程序設置的對應場景情況及時反饋給醫護人員并進行報警，此時用戶可以通過移動終端的獨立按鍵遠程控制繼電器外接設備開關，實現對病房環境變量（溫濕度數值、空氣質量指數）的調整，以達到合適的范圍，為病人提供舒適的病房環境，減少病人家屬和醫護人員的工作量。同時云端數據庫可以接收App上的數據，對實時病房環境數據進行可視化展示。整體結構圖如圖1所示。

2 三層構架體系

2.1 感知層

感知層是此系統實現物聯網全面感知的核心部分，主要完成醫院病房環境參數信息的采集與顯示。感知層主要由DHT11溫濕度傳感器和MQ-2空氣質量檢測傳感器組成，如圖2所示。

感知層由DHT11溫濕度傳感器采集病房環境溫濕度，MQ-2空氣質量檢測傳感器檢測病房空氣質量，以STC89C51作為主控芯片，搭載多個電路，通過LCD1602液晶顯示屏[4]實時顯示病房環境的實時信息。此系統在設計時提供了三種不同環境異常下的報警處理方案，便于醫護人員及時發現異常并進行相應的處理：當病房溫度超出或低于設置閾值時蜂鳴器報警，紅色的LED燈亮;當病房濕度超出或低于設置閾值時蜂鳴器報警，綠色的LED燈亮;當病房空氣質量不達標時蜂鳴器報警，黃色的LED燈亮。本系統提供四個獨立按鍵，能正常控制繼電器和設置閾值以及復位，醫護人員可通過獨立按鍵來調節測量的病房環境實時溫濕度數據和空氣質量指標的閾值范圍，同時繼電器可以連接一些外設，通過WIFI模塊實現移動App對繼電器的遠程控制，從而實現對病房環境的調整，達到適宜病人休養的病房環境 。硬件框圖如圖3所示。

2.2 網絡層

網絡層處理的是感知層在一定范圍內所獲得的病房環境實時數據，由ESP8266 WIFI模塊（如圖4所示）和TCP協議的socket編程[5]組成。通過單片機的復位鍵讀取單片機的IP地址和端口號Port，輸入IP地址和端口號連接單片機。單片機上的WIFI模塊能建立實時信息傳輸通道，通過socket連接將環境數據傳遞給應用層的移動終端，通過函數BufferedReader（）接收數據，再通過函數putString（）將數據顯示。醫護人員登錄點擊相應按鈕，觸發手機端通過函數向單片機WIFI模塊發送數據指令， WIFI模塊接收該指令，按照單片機內部事先寫入的程序做出處理，從而實現數據的無線通信[6]，構成完整的物聯網綜合系統。

2.3 應用層

應用層主要是處理感知到的病房環境實時數據，由移動App、云端數據庫和微信小程序組成。該平臺是在Android studio環境下搭建實現。在連接網絡的情況下，醫護人員成功完成身份識別后，打開App進入用戶操作界面。輸入IP號和端口號，點擊連接按鈕與下位機建立連接，若連接成功，則會顯示“已成功連接！”。點擊“環境監測”按鈕，進入“實時環境度監測”，可觀察到病房當前的溫濕度曲線，溫濕度數值，空氣質量優劣等。此界面另有四個繼電器按鈕，可控制繼電器的打開和關閉，遠程控制外接設備的開關，實現對病房環境情況的改善，便于醫護人員操作。結束后可退出界面，關閉軟件即可。如圖5所示。同時云端數據庫可以接收App上的數據并進行可視化展示，醫護人員可通過平臺實時監控病房環境數據并對一段時間內的病房環境情況做出相應的評估，以達到建設更高標準醫院病房環境的目標，為病人提供更優質的服務，真正做到以病人為核心的新時代醫院服務標準。

3 結束語

本系統采用目前飛速發展的物聯網技術，在充分研究單片機技術、WIFI傳輸協議的基礎上，利用多種傳感器增加采集到的數據信息，提供更加全面詳細的病房實時環境數據，使用ESP8266 WiFi 網絡模塊實現數據實時傳輸，并利用云端數據庫對病房實時數據進行存儲，移動App對病房環境進行實時監控和調節，設計了基于物聯網的醫院病房環境監控系統。實際測試結果表明，本系統穩定性較好，感知層設備體積小易于放置，運行速度快、反應時間短，并能從云端獲取病房環境實時情況和通過移動App遠程控制繼電器以達到改善病房環境的目的，實現對病房環境的遠程實時監控和維護，時刻給住院患者安全舒適的居住環境，同時對提高醫院護理水平，加快醫院運作的現代化管理進程，減輕醫護人員和病人家屬的工作量具有較高的實用價值。

參考文獻：

[1] 王家琦，李家良，王江徽，等.基于CDIO的《物聯網醫療開發與實訓》項目教學法研究[J].電腦知識與技術，2020，16（11）：170-171，173.

[2] 趙靜，麻名蕊，宋振.基于物聯網的智能家居安全防護系統設計[J].電子技術與軟件工程，2017（5）：216-217.

[3] 張琥石，林偉龍，楊發柱，等.基于ESP8266 WiFi 模塊的物聯網體溫監測系統[J].物聯網技術，2020，10（12）：32-35.

[4] 李嘉寧，成丹，董璐，等.基于STC89C51單片機的智能殺菌除臭鞋柜設計[J].電子世界，2021（2）：151-153.

[5] 陳庭峰.基于Sockets通信的臨床設備監控的設計實現[J].電腦知識與技術，2020，16（28）：56-57，64.

[6] 朱自強，姜作喜，彭巍巍.基于LoRa技術的遠程無線通信方案的設計與實現[J].電子世界，2020（24）：162-163.

【通聯編輯：梁書】