基于物聯網的患者生理信息智能采集系統

徐麗君

（泰州市人民醫院，江蘇泰州 225300）

近幾年，隨著住院病患數量的增加，醫護的工作量越來越大。為減少醫護的工作量，應區別對待輕重癥患者，對病患的身體狀況進行優先級排序，將資源向重癥患者傾斜。由于病患的生理信息可以反映病患的身體狀況[1]，因此，設計一款病患生理信息智能采集系統是有必要的。而且隨著物聯網技術迅猛發展，無線傳感網絡技術被廣泛應用于生產生活的各個場景，各類智能系統層出不窮，并都獲得了社會各界的一致好評[2]。因此，文中采用當前熱門的物聯網與無線傳感網絡技術[3]，設計了一套可實時采集病人生理信息、判斷病人生理狀態的病患生理信息智能采集系統。該系統在硬件上用3 個Mega2560 作為主控芯片，分別控制三大模塊：穿戴設備、傳輸節點和后臺處理模塊。在硬件上，穿戴設備主要在主控芯片外圍搭載傳感器和藍牙系統方案芯片CSR1013；傳輸節點主要在主控芯片外圍搭載CSR1013 和ZigBee 系統方案芯片CC2430；后臺處理模塊主要在主控芯片外圍搭載LCD 顯示模塊、網絡通信模塊等。在軟件上，系統主要實現了各傳感器的驅動、傳感器與通信芯片的通信傳輸、節點自動組網匯集數據等功能。同時系統通過數據庫也可以將捕獲的病患生理信息傳入醫院HIS 系統進行記錄并保存，為醫生診斷、用藥提供數據支撐。

1 系統硬件結構設計

智能看護系統主要包括三大模塊：病患使用的穿戴設備、組網并傳輸數據的ZigBee 節點設備、后端數據處理的終端設備，其整體結構如圖1 所示。穿戴設備上集成傳感器模塊、藍牙收發模塊，將采集的病患生理信息通過藍牙傳送到ZigBee 網絡節點。ZigBee 網絡節點自組網將信息傳送至總節點，通過SPI 接口傳送給終端設備進行處理[4-5]。

圖1 系統整體結構

1.1 穿戴設備

穿戴設備作為病患與機器交互的唯一設備，承擔著生理信息采集、信息發送兩項基本功能，其主要結構如圖2 所示。

圖2 穿戴設備主要結構

1.1.1 主控芯片

系統采用Arduino Mega2560 作為設備的主控芯片。該芯片擁有54 位數字I/O 口，非常適合較多傳感器的應用場景，方便后續進行傳感器擴展。同時芯片擁有3 種供電方式供客戶選擇，核心電壓可以低至3.3 V[6]。芯片IDE 軟件為開源開發環境，可在官網上下載。同時，芯片預置BootLoader 程序，使用類C 語言開發，操作方便[7]。

1.1.2 傳感器模塊

1）溫度傳感器：文中采用DALLAS 的DS18B20數字溫度傳感器，其與Mega2560 的連接圖如圖3 所示。它支持3～5.5 V 的工作電壓，典型值為3.3 V，其檢測范圍為-55～125 ℃，分辨率可以達到12 位，測量精度為0.062 5 ℃[8]。該傳感器具有響應速度快、體積小、功耗低、抗干擾能力強等優點。有別于傳統的溫度傳感器使用溫敏電阻，DS18B20 使用兩個溫度系數不同的晶體振蕩器。低溫度系數振蕩器計數存入溫度寄存器形成數字溫度值，而高溫度系數振蕩器計數控制存入溫度寄存器的數值大小[9]。因此，Mega2560 通過I/O 口可以實時查看DS18B20 寄存器的值，以確定病患的體溫。

圖3 溫度傳感器與Mega2560連接圖

2）心率傳感器：文中選用松恩電子的SON1303測量心率和血氧飽和度，其與Mega2560 的連接圖如圖4所示，該傳感器核心電壓范圍較寬（2.3～6 V），支持省電模式，該模式下功耗僅為0.3 mW[10]。SON1303 利用光電容積法測量心率，由于人血管中的血容量在心臟的搏動過程中呈周期性變化，當用光照時反射光強度也呈周期性變化，光電容積法就是通過檢測該周期確定心率[11]。測量血紅蛋白則是基于郎伯-比爾定律，利用血紅蛋白對570 nm 綠光的反射強度大小與血液中血紅蛋白濃度呈線性關系的特性，使用光敏二極管探測反射光強度，以確定血紅蛋白濃度。對SON1303 供電可以產生反映反射光強度的電壓信號，文中將該電壓信號進行低通濾波放大后得到可識別的直流電壓信號，然后通過MCU 檢測該信號的周期和強度，周期為心率的倒數，強度為血紅蛋白濃度。

圖4 溫度傳感器與Mega2560的連接圖

1.1.3 藍牙模塊

藍牙模塊主要通過MCU 控制CSR1013 實現藍牙傳輸功能。CSR1013 是高通公司針對藍牙V4.1 協議開發的SoC 片上方案，具有低功耗、小型化和藍牙協議封裝等優點。它有13 個I/O 接口，支持SPI、UART 等多種串口通信協議，內部集成射頻、基帶和MCU，功能強大[12]，其與Mega2560 連接圖如圖5 所示。在傳輸數據時，只需要將SPI 的使能信號拉高并通過SPI 向芯片寫入數據，芯片就能根據藍牙協議自動調制并通過天線發出，簡單方便。

圖5 藍牙模塊與Mega2560連接圖

1.2 傳輸節點

文中運用ZigBee技術將傳感器采集到的數據傳輸到后臺，使用CC2430 模塊完成ZigBee 組網傳輸[13-14]。節點的主體架構如圖6 所示，首先藍牙接收穿戴設備發送的數據，然后通過MCU 利用SPI 接口將數據送入CC2430，最后通過CC2430 將數據傳輸至后臺。節點部分電路如圖7 所示。CC2430 集成了8051內核和收發模塊，是一個完整的ZigBee SoC 片上解決方案。它擁有較寬的工作電壓范圍（2.0～3.6 V），在休眠模式下功耗極低，可以通過外部中斷或RTC功能來喚醒，能長時間使用。同時它支持SPI，有21個I/O 口。因此，文中利用CC2430 搭建ZigBee 網絡完成數據傳輸功能。

圖6 節點的主體架構

圖7 節點部分電路

1.3 終端處理模塊

終端處理模塊主要利用Mega2560 搭建系統，完成信息接收和信息處理功能。數據主要通過CC2430 利用SPI 接口進行傳輸，傳輸數據的幀格式可由用戶自己定義。數據處理模塊主要包括數據讀取、數據判別和數據整合三大部分，單片機根據用戶設定的幀格式讀取特定病人的生理數據；根據給定的范圍判定數據是否異常，并將異常數據實時顯示在LCD 屏幕上，同時通過WiFi 熱點向責任護士和醫生的PDA 終端發送提醒信息；獲取數據后，系統將病人的生理信息繪制成圖表，通過網口傳輸至服務器儲存，以備醫生隨時查看。

2 系統軟件設計

智能看護主要是通過監測病患的生理信息，判斷其生理狀況的方式進行工作。因此，軟件上主要需要完成與病患直接接觸的穿戴設備的生理信息采集任務[15]、穿戴設備與后臺終端的信息傳遞任務、后臺的信息處理任務三大部分。基于此，穿戴設備的驅動程序主要實現信息采集與傳遞功能；Zigbee 節點主要實現通信和組網功能；后臺主要實現信息處理功能。

2.1 驅動程序設計

2.1.1 穿戴設備驅動設計

該程序需要完成體溫、心率、血氧飽和度三大基本生理信息采集功能。溫度由DS18B20 采集，由于DS18B20 只有一根數據線與MCU 通信，硬件開銷小，需要較復雜的軟件流程。心率和血氧飽和度由SON1013 采集，放大整波后送入I/O 口，具體工作流程如圖8 所示。為了增加血氧飽和度測量準確性，傳感器工作前需要對傳感器的輸出電平進行校準。校準主要是對溫度和對血氧濃度進行校準，校準在穿戴設備消殺過程中實施，利用反射光強度為0 的75 ℃水對傳感器進行校準。

圖8 穿戴設備工作流程

2.1.2 ZigBee節點驅動設計

該部分主要完成節點的組網和數據通信兩大功能。由于CC2430 已經集成了ZigBee 協議棧，可以通過MCU 寫入一系列函數和原語并向芯片發送指令，使其完成網絡建立與加入、數據接收與發送和設備初始化等功能，而原語和函數可以通過規格書獲取[16]。

文中采用樹型網絡拓撲結構，結構如文中圖1所示，其中與終端通信的為協調器，負責網絡的組建和信息的收集，其基本工作流程如圖9 所示，而每個病房為終端設備，負責采集信息并向協調器傳送信息，其基本工作流程如圖10 所示。

圖9 協調器工作流程

圖10 終端設備工作流程

2.2 數據協議

由于醫院具有病患流動性大、電磁環境差等特點，系統在數據傳輸過程中定義特有的數據傳輸幀是有必要的。該節介紹了文中系統使用的數據傳輸幀，具體幀格式如圖11 所示。數據幀包括起始符、源地址、目的地址、數據長度、數據、CRC 碼、停止符7個字段，而數據段包括住院號編碼、數據采集時間、體溫數據、心率數據、血氧飽和度數據。起始符和停止符用來表示數據幀的開始和結束，用于同步控制，各占一個字節。源地址表示ZigBee 發送數據的子節點的網絡地址，目的地址表示ZigBee 接收數據節點的網絡地址，各占一個字節，同時約定0XFF 為廣播地址。數據長度表示該幀數據的字節數，最大為0XFF，其數據段最長有255 Byte 的數據。CRC 碼為數據段的循環冗余校驗碼，用一個字節表示。數據段中住院號占用6 個字節，采集時間占用5 個字節，其余為生理信息數據段，同時約定每種生理數據為20 個字節。當父節點接收到數據后，父節點需要向子節點發送確認幀，確認幀的數據段約定為0X00 0XAA 0XFF。

圖11 數據傳輸幀格式

3 結束語

文中研究了基于現代物聯網技術的智能病患看護系統的硬件和軟件設計方法。實驗表明，用戶利用穿戴設備上的傳感器可以獲取體溫、心率和血氧飽和度等基本生理信息，同時也能自動通過藍牙傳送至ZigBee 節點。節點在接收到信息后能自動組網并將信息匯總到協調器，最后到達后臺。后臺最后通過串口可以獲取到信息，并進行匯總生成EXCEL表，從而實現通過無線組網技術自動獲取病患生理信息的功能。該系統在實際應用中有一定可行性，可以大大減輕護士的工作，并全方位監測病患生理信息特征，形成生理數據，具有一定應用的價值。