基于樹莓派的孕婦生命體征采集系統設計

劉 洋

（南京市婦幼保健院信息中心，江蘇 南京 210001）

1 項目背景及概述

生命體征監測主要是對患者血氧飽和度、心電、體溫、血壓以及呼吸等生理參數進行監測［1］。近年來，南京市婦幼保健院為更好地貫徹落實國家三孩生育政策，積極應對人口老齡化國家戰略，加強生育全程孕產期保健服務，提高優生優育水平，保障母嬰安全，為孕產婦產檢提供方便快捷的一體化生命體征測量方案，購置了一批一體化生命體征測量儀。將傳統的體重秤、身高測量儀、血壓計、體脂儀、溫度計5種常見的孕婦生命體征采集終端整合為一臺一體化的測量儀器，極大地縮短了孕婦測量生命體征所需要的時間。但仍然需要孕婦自己記錄數值后告知護士人工錄入電子病歷系統，易造成數據錄入錯誤，增加了孕婦不必要的就診時間和護士的工作量。使用樹莓派連接測量儀器的RS232C串口，讀取儀器返回測量數據解析后，再通過電子病歷提供的WebService接口協議，將孕婦的生命體征數值傳入電子病歷，可以有效避免數據誤差，縮短孕婦產檢的時間，提升孕婦對醫院的滿意度。

2 系統構成

2.1 硬件平臺

本項目采用樹莓派作為整個系統的控制核心。因為Raspberry Pi具備一個PC上面完整的功能，可以實現程序的編譯以及運行［2］。最新版本的Raspberry Pi 4B型擁有以1.5 GHz運行的64位四核處理器，最高支持以60 fps速度刷新的4 K分辨率的雙顯示屏，高達4 GB RAM，2.4/5.0 GHz雙頻無線LAN，藍牙5.0/BLE，真千兆以太網，USB3.0和PoE功能。通過裝載相應的Linux系統和相應的應用程序，樹莓派可以實現強大的應用功能，具有價格低廉的優勢，為使用者提供了一個理想的嵌入式開發平臺。

2.2 軟件平臺

樹莓派目前支持最好的操作系統是Linux，Linux與Windows相比具有開源免費的優勢，更高的代碼執行效率，具有良好的穩定性可以像Unix系統一樣常年不關而不曾宕機。程序開發語言采用C＋＋語言，C＋＋語言既保留了C語言的有效性、靈活性、便于移植等全部精華和特點，又添加了面向對象編程的支持，具有強大的編程功能，可方便地構造出模擬現實問題的實體和操作；編寫出的程序具有結構清晰、易于擴充等優良特性，適合于各種應用軟件、系統軟件的程序設計。用C＋＋編寫的程序可讀性好，生成的代碼質量高，運行效率僅比匯編語言慢10%~20%。

2.3 系統組成

本系統硬件采用樹莓派四代B型開發板，軟件采用Linux操作系統，使用USB轉串口線一端連接一體化生命體征測量儀的RS232C串口一端連接樹莓派的USB口，使用網線連接樹莓派與醫院的內網，系統組成如圖1所示。

圖1 系統構成

2.4 電子病歷系統后端接口服務

電子病歷系統后端接口服務程序采用Web Service技術進行開發，程序開發語言使用Java。Web Service是一個SOA(面向服務的編程）的架構，使用XML來封裝數據，通過Internet進行基于http協議的在客戶端和服務端之間傳輸數據。Web Service的跨開發語言與跨平臺性，恰好滿足了本系統前后端程序的相互交互。

3 系統實現

3.1 系統整體操作流程

孕婦使用掃描槍掃碼獲得掛號憑條上的ID號，樹莓派通過網絡調用電子病歷系統提供的獲取孕婦基本信息的Web Service接口使用ID號作為參數將獲取到的孕婦基本信息顯示在樹莓派連接的3.5寸液晶顯示屏上。確認無誤后，點擊屏幕上的開始測量按鈕，樹莓派通過串口向一體化生命體征測量儀傳送開始測量的命令，孕婦根據一體化生命體征測量儀的語音提示，進行體溫、血壓、身高、體重、體脂的測量。儀器測量完畢通過串口將數據發送回樹莓派，樹莓派使用分析程序將串口捕獲數據分析加工后通過網絡調用電子病歷系統提供的接收生命體征數據的Web Service接口，電子病歷后端服務根據孕婦的唯一ID將生命體征數據存入數據庫，醫生產檢時打開孕婦電子病歷即可查看孕婦的生命體征。

3.2 硬件連接

在樹莓派終端輸入命令：dmesg|grepttyS?可以顯示從系統啟動到現在串口插入拔出的設備信息，使用USB轉RS232C轉接口連接一體化生命體征測量儀端RS232C串口與樹莓派的USB口。再次輸入命令：dmesg|grepttyS?，運行結果：usb 2－2.1：pl2303 converter now attached to ttyUSB0；可以找到一體化生命體征測量儀與樹莓派的通信端口為ttyUSB0。在Linux下，所有的設備都是以文件的形式存在的。都存在在/dev目錄下。在/dev目錄下的每個文件都對應一個設備。通過命令ls/dev/tty?最終找到硬件設備文件標識為/dev/ttyUSB0。

3.3 RS232串口通信原理

串口通信主要通過ASCII碼進行傳輸，采用地線進行接收和發送，通信段在一條線路中發送信息，可在另一條線路中進行接收。其中，波特率、數據位、奇偶校驗位等參數十分關鍵［3］。

(1）波特率。這是一個衡量通信速度的參數。它表示每秒鐘傳送的bit的個數。例如300波特表示每秒鐘發送300個bit。提到時鐘周期時，就是指波特率，例如，一體化生命體征測量儀通信協議需要4 800波特率，則時鐘是4 800 Hz。

(2）數據位。這是衡量通信中實際數據位的參數。計算機發送一個信息包時，實際的數據不會是8位的，標準的值是5，7和8位。如何設置取決于想傳送的信息。一體化生命體征測量儀數據使用擴展的ASCII碼是0~255(8位），每個數據包使用8位數據。每個包是指一個字節，包括開始/停止位，數據位和奇偶校驗位。

(3）停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位，一體化生命體征測量儀的停止位為1。由于數據是在傳輸線上定時的，每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現了小小的不同步。因此，停止位不僅表示傳輸的結束，還提供計算機校正時鐘同步的機會。停止位的位數越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數據傳輸率同時也越慢。

3.4 樹莓派對數據的采集和分析

串口數據解析流程如圖2所示。

圖2 數據解析流程

樹莓派接收到的儀器傳輸數據以ASCII碼方式進行編碼格式，如表1所示。

表1 一體化生命體征測量儀串口通信協議

分析現每一個數據都以“81＄”起頭，編寫程序首先定義變量m＿sMachineData保存原始字符串，類變量patient＿data用于保存本次測量各種生命體征數據值，再根據圖表5的通信協議將變量m＿sMachineData的原始數據進行分析，將身高、體重、低血壓、高血壓、心率、體脂、體溫數據分別保存在strHeight，strWeight，strLow，strHigh，strRate，strFat，strTemperature這些變量中，調用函數fun＿analysisComDate(）將得到的各個體征數據作為 參 數 生 成patient＿data，最 后 調 用 函 數fun＿PrintPatientData(）打印出本次的測量結果。解析主要實現代碼如下：

WzSerialPort usb＿com；

PatientData patient＿data；//保存孕婦本次測量結果

int i＝0；int j＝0；

char m＿sMachineData［1024］＝｛0｝； char strHeight［128］＝｛0｝；char EmerFlag［128］＝｛0｝；

char strWeight［128］＝｛0｝； char strLow［128］＝｛0｝；

char strHigh［128］＝｛0｝； char strRate［128］＝｛0｝；

char strFat［128］＝｛0｝； char strTemperature［128］＝｛0｝；

if(usb＿com.open(＂/dev/ttyUSB0＂，4800，0，8，1））

｛

usb＿com.send(＂60＄＂，3）；

cout＜＜＂發送體重秤握手消息＂＜＜endl；

while(true）

｛

memset(m＿sMachineData，0，1024）；

usb＿com.receive(m＿sMachineData，1024）；

cout＜＜＂收到體重秤通過串口發回的數據＂＜＜endl；

cout＜＜m＿sMachineData； //打印出原始數據

//81＄21755＄00652＄3＄B120075069＄0203 01471614055007031605085093209145252397105074290 848＄T365＄

｝

//開始解析相關數據值

i＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂81＄＂，j）；

for(；；）

｛

if(i＝＝－1）

break；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strHeight＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到身高數據175.5厘米；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strWeight＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到體重65.2千克；

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i＋1）；EmerFlag＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i，1）；if(EmerFlag＝＝＂B＂）

｛

strLow＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j－6－i）； //得到血壓高壓120

strHigh＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋3，j－3－i）； //得到血壓低壓75

strRate＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋6，3）； //得到心率69

｝

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

strFat＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，j-i）； //得到脂肪數據

j＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂＄＂，i）；

EmerFlag＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i，1）；

if(EmerFlag＝＝＂T＂）

｛

strTemperature＝this－＞m＿sMachineData.Mid(i＋1，ji）；//得到體溫數據36.5

｝

//保存本次測量結果

this－＞AddTestItem(strHeight，strWeight，strLow，strHigh，strRate，strFat，strTemperature，＆patient＿data）；

i＝this－＞m＿sMachineData.Find(＂81＄＂，j＋1）；

｝

｝

else

｛

cout＜＜＂打開串口失敗＂；

｝

usb＿com.close(）；

//分析本次測量結果

fun＿analysisComDate(＆patient＿data）；

//輸出本次測量結果

fun＿PrintPatientData(＆patient＿data）；

return 0；

數據接收程序在樹莓派上的運行結果，如圖3所示。

4 結語

以上設計經臨床實際使用，通過使用樹莓派作為一體化生命體征測量儀數據傳輸及解析平臺，在信息化條件下，采用智能控制和信息處理技術，進行醫院自助服務信息化智能終端建設和自助服務平臺的優化設計，充分利用“互聯網＋”，打造為患者服務的高效信息化平臺［4］。該平臺避免了傳統的由醫護人員人工進行測量時存在操作差異性而產生的數據誤差，同時，也縮短了孕婦的產檢就診時間，為孕婦提供了方便，提升了孕婦對醫院的滿意度，具有一定的推廣價值。