基于物聯網的智慧病房設計與仿真

劉 帥，王亞奇

（河南城建學院 計算機與數據科學學院，河南 平頂山 467036）

0 引 言

在當前醫療模式下，住院患者若要得到較好的治療并盡早康復一定程度上與醫護人員能否及時查看患者的各種生理指標并響應患者的治療訴求有關。然而目前醫療護理人員對患者仍無法做到實時監控和響應，這既不利于患者的康復，也容易產生醫患糾紛。基于此，本文提出一種基于物聯網的智慧病房系統，旨在解決當前病房存在的痛點，消除信息孤島，提高病患的就醫體驗，減少醫護人員的工作量[1]。同時，該系統利用傳感器采集病房內的溫度、濕度、煙霧濃度、患者體溫、患者輸液情況等各類數據并進行數據分析，不僅可以更為精準地觀察患者的生理狀態，提升檢測實時性與精準性，方便動態調整治療方案，也為未來醫療的大數據分析和共享奠定堅實的基礎[2-3]。

1 系統總體設計

本文以患者為中心、病房為平臺，綜合考慮目前病房數據傳送的延時性和醫護工作量大的現實矛盾，對系統進行模塊化設計，更加準確地抓住痛點問題，專項處理現實弊端。如圖1 所示，本文將系統具體分成4 個模塊：數據采集、數據傳送、數據分析、數據顯示。

圖1 系統總體設計

數據采集模塊：是整個系統信息分析的基礎來源。本文以傳感設備為采集主體，實時采集監控病房環境和病患病理指標，并將數據實時傳遞給數據分析模塊，以達到對病患的精準輔助治療。

數據傳送模塊：考慮到病房因采用固定有線傳輸而存在的線路密集混亂的弊端以及醫院對于整體環境干凈整潔的需求，根據病房構建特性，本文在數據傳輸模塊使用ZigBee設備[4-5]作為紐帶來完成數據采集匯總和信息轉發控制。由于一臺ZigBee 設備可管理255 臺數據采集設備，因此每個病房僅須安裝一臺FFD 設備即可滿足監控需要；由于FFD設備具備星型、樹型、網型組網拓撲結構，所以可為病房區建設安全、高效的信息傳輸網絡，有效保證數據傳輸的及時性、可靠性。

數據分析模塊：將實時數據上傳到網絡中心集中處理，通過數據分析算法判別病房環境和病患情況，根據分類模型給出治療建議，便于醫生及時監管病患病理指標，對異常指標達到早發現、早干預、早治療的效果。

數據顯示模塊：將病房采集的數據通過云平臺顯示在護士站工作臺終端設備和走廊顯示屏，多屏顯示動態更新的變化趨勢，方便醫生更直觀地觀察到病人身體狀況和實時需求變化，追蹤病人康復情況，打造高質量就醫環境。

2 硬件設計

硬件設計分為3 層：感知層、網絡層和應用層。感知層負責實時采集監控病房環境和病患病理指標。針對病房環境和病人需求，感知模塊檢測內容有：病房環境溫濕度信息、煙霧濃度、光照強度、患者體溫、輸液完成與否、是否呼叫醫生；使用的傳感器有：溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧濃度傳感器、光照檢測器；同時還設計了輸液報警器、呼叫按鍵等。網絡層使用無線傳感網技術ZigBee 對終端傳感器節點采集到的實時數據進行匯合，采用去中心化的網狀拓撲結構，是一種自組織多跳網絡，擁有較強的自愈能力，十分適用于病房這個短距離多功能多模塊連接的復雜環境中。經路由節點信息匯合后，將病房環境數據和病患病理指標發送至本病房的協調器中，由協調器完成網絡的創建和數據的轉發，對外傳送本病房數據到網絡中心集中處理。

以單個病房為最小單位，每個病房配備各式傳感器、路由節點和一個協調器。由路由節點匯集來自終端傳感器節點的實時數據，向上傳遞至病房協調器中，ZigBee 協調器將采集到的病房數據進行整合打包，將數據向上匯集至網絡中心處理。以1 個協調器ZC、10 個路由節點ZR、15 個終端傳感節點ZED 為例，系統拓撲圖如圖2 所示。

圖2 病房拓撲圖

3 軟件設計

在硬件信息采集完成的基礎上，通過軟件設計進行數據加工顯示。軟件設計有數據分析模塊和數據顯示模塊。設備終端無線通信模塊在EDP 協議的功能下將數據上傳到OneNET 云平臺，實現病房設備和OneNET 云平臺之間的連接；連接完成后系統開始讀取所傳遞的煙霧濃度、人體溫度、環境溫濕度等數據，由OneNET 云平臺將采集到的病房環境數據和患者身體數據分類保存、實時更新，并通過數據分析算法判別病房環境和病患情況，構造分類模型，方便醫生進行數據分析、及時監管和治療。

數據顯示模塊創設護士站工作臺前端頁面，通過云平臺將病房信息同步發送更新至護士站工作臺設備，方便醫護人員可以在護士站工作臺設備上查看各個病房環境和病人身體的監測數據變化；云平臺實時更新檢測數據，可以通過歷史數據觀察各項特征參數的變化趨勢，判斷患者的生理狀況和恢復情況，摒棄了冗雜的手工抄錄核對和在不同病房中的不斷往返，提高了臨床護理工作效率。同時，在走廊上額外增置一個液晶顯示屏，與護士站工作臺同步接收OneNET 云平臺傳遞的數據異常報警、病人呼叫信息，并按照接收到信息的時間順序在液晶顯示屏上排列顯示，此功能可以有效避免醫生和護士因未及時看到彈出的患者異常報警或呼叫信息而錯過最佳診治時間。

4 系統仿真

為驗證上述設計的可靠性，下面模擬病房環境進行仿真實驗。按照上述設計與安排，智慧病房仿真采用STC12 芯片中的STC12C5A60S2 芯片作為主控芯片，LCD1602 液晶顯示屏模擬走廊顯示屏，ESP8266 作為網絡模塊與WiFi 相連；檢測傳感器有YW03 非接觸液位傳感器、DS18B20 數字溫度傳感器、DHT11 傳感器、MQ-2 煙霧濃度檢測傳感器；呼叫報警模塊包括蜂鳴器、LED 燈、電容觸摸按鍵[6]；同時，使用OneNET 云平臺實現與設備和上位機之間的數據傳輸和展示。實驗流程見表1 所列。

表1 實驗流程

根據實驗流程，進行了4 次實驗。以實驗1 為例，仿真結果如圖3 所示。

圖3 仿真結果

通過對系統進行仿真測試，驗證了系統達到了設計要求。智慧病房的建設，結合了各種管理系統和數字化終端設備，實現了醫護人員與患者之間更為便捷的溝通，數據檢測更加準確真實，病人可感知可操作，提高了病人住院的體驗感和舒適感，幫助病人盡快恢復。同時，為醫生提供了可視化界面，方便對整個科室病房進行統一高效管理；異常情況報警呼叫功能完備，適用于醫院多方面的需求。經過仿真測試，系統表現良好，實現了設定的功能，具有較強的實用性，并為接下來的深入研究提供了技術保障。

5 結 語

本文的智慧病房設計，借助網絡傳輸模塊、云平臺實現了數據的實時監測、顯示和同步更新，護士站工作臺顯示界面和走廊液晶顯示屏能直觀反映患者情況和呼叫需求，極大地提高了患者就醫和醫生監管效率。該設計能夠實現遠距離對病房環境和病人信息的實時監控，減少醫護人員往返病房的次數，及時反饋患者需求，為患者提供安靜的康復環境，減少醫患糾紛，打造高舒適度、高效率的新型病房環境。但本文中檢測數據較為普遍，缺乏針對性，接下來的研究將針對專科人群進行分類設計，如母嬰病房設置嬰兒防盜，心臟科室的心電監護，呼吸科的血氧監測，重癥病房的脈搏、心率、血壓監控等，提高智慧病房系統的專業適用性，為患者提供便捷、舒適、安全、優質的醫療服務[7-10]。