基于可穿戴設(shè)備醫(yī)用防護(hù)服微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘 "要： 隨著全球氣溫不斷升高，生態(tài)環(huán)境不斷變化，重大傳染病疫情時有發(fā)生。個體防護(hù)裝備是醫(yī)護(hù)人員避免生物污染危害的直接防護(hù)屏障，但長期穿戴專業(yè)的醫(yī)用防護(hù)服裝備會導(dǎo)致體表溫度升高、大量出汗、虛脫等狀況。為此，基于一次性醫(yī)用防護(hù)服設(shè)計(jì)一種監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時監(jiān)測一次性防護(hù)服內(nèi)的溫濕度、二氧化碳含量及穿著人員的心率和血氧飽和度等數(shù)據(jù)。針對穿戴者長時間在污染區(qū)域作業(yè)，與外界通信受限的問題，搭建物聯(lián)網(wǎng)云平臺并采用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員與后方控制人員的信息交互，提高了一次性防護(hù)服的安全性和控制能力。針對微環(huán)境的溫濕度、二氧化碳濃度及人體的心率和血氧飽和度等設(shè)定不同的閾值，隨著工作的進(jìn)行，通過微環(huán)境參數(shù)的改變來觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)滿足設(shè)備向小型化發(fā)展的要求，方便醫(yī)護(hù)人員穿戴，且獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后能及時通過物聯(lián)網(wǎng)上傳。

關(guān)鍵詞： 可穿戴設(shè)備； 醫(yī)用防護(hù)服； 微環(huán)境監(jiān)測； 智能終端； 傳感器； ESP32； 物聯(lián)網(wǎng)云平臺

中圖分類號： TN915?34； TP29 " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）06?0079?06

Research on wearable devices based microenvironment monitoring system for

medical protective clothing

LI Mingshuo1， WU Tao1， 2， REN Jianxin1， XIONG Anshi1， JIANG Huayang1， JIA Jingtao1

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2. Computer Center， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： With the rising global temperature， changing ecological environment， and major infectious disease outbreaks occurring from time to time， PPE is a direct protective barrier for healthcare workers to avoid the hazards of biological contamination， and wearing professional medical protective clothing and equipment for a long period can lead to conditions such as elevated body surface temperature， profuse sweating， and defecation. Therefore， a monitoring system is designed based on disposable medical protective clothing to monitor the temperature and humidity， carbon dioxide content， heart rate， and oxygen saturation data of the wearer in real?time inside the disposable protective clothing. In allusion to the problem of wearers working in polluted areas for a long time and limited communication with the outside world， an Internet of Things cloud platform is built and wireless transmission technology is adopted to achieve information interaction between operators and rear control personnel， so as to improve the safety and control ability of disposable protective clothing. Different thresholds are set for temperature and humidity， carbon dioxide concentration， human heart rate， and blood oxygen saturation in the microenvironment. As work progresses， the alarm system is triggered by changes in microenvironment parameters. The designed monitoring system can meet the requirements of miniaturization of equipment， making it convenient for medical staff to wear it， and can timely upload monitoring data by means of Internet of Things.

Keywords： wearable devices; medical protective clothing; microenvironment monitoring; intelligent terminal; sensors; ESP32; Internet of Things cloud platform

0 "引 "言

病原微生物長期與人類共存，是人類健康的大敵。由于人口過度增長、生態(tài)環(huán)境破壞等原因，國際上暴發(fā)了SARS、MERS、COVID?19等突發(fā)傳染性疾病，對國家安全、人類健康造成了重大威脅[1]。為盡可能地降低感染風(fēng)險(xiǎn)，醫(yī)護(hù)人員在接觸傳染病病人時需要穿戴一次性防護(hù)用品，用來阻隔患者的血液、體液、分泌物的微顆粒[2]。由于防護(hù)裝備不透氣導(dǎo)致的體表溫度升高、大量出汗等狀況，部分醫(yī)護(hù)人員可能會產(chǎn)生皮疹、毛囊炎等疾病[3]，極大地降低了醫(yī)護(hù)人員的工作效率[4?5]。而實(shí)時監(jiān)測一次性防護(hù)服內(nèi)的微環(huán)境數(shù)據(jù)，可以及時提醒穿著人員和后臺控制人員做好休息和通風(fēng)換氣的準(zhǔn)備。

目前國內(nèi)外一次性防護(hù)服偏向于電動送風(fēng)，缺乏防護(hù)服內(nèi)微環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測，醫(yī)護(hù)人員緊張繁重的作業(yè)強(qiáng)度往往使穿戴者無暇顧及防護(hù)服的工作狀態(tài)，這就需要后方指揮與保障人員實(shí)時了解防護(hù)服的運(yùn)行狀態(tài)，在異常時及時提醒醫(yī)護(hù)人員采取必要措施。目前現(xiàn)場作業(yè)時，各套防護(hù)服的參數(shù)為本機(jī)監(jiān)測，容易形成信息孤島，后端遠(yuǎn)程感知更是處于空白狀態(tài)。

21世紀(jì)以來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，在社會生活中起著越來越重要的作用，得到了各行各業(yè)的關(guān)注和重視[6]，物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)的延伸部分[7]，為推進(jìn)個體防護(hù)裝備的智能化提供了可能。本文基于一次性防護(hù)服設(shè)計(jì)的微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)集成了Max30102血氧監(jiān)測傳感器、DHT11溫濕度傳感器、SGP30二氧化碳傳感器，均采用參數(shù)控制和雙向通信器件，通過ESP32單片機(jī)的控制實(shí)時對防護(hù)服內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過無線網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)平臺，即可實(shí)現(xiàn)前端感知、后端可視的目的，增強(qiáng)了前后端信息的交互能力。

1 "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)由實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)上傳、終端顯示和報(bào)警等四大功能模塊組成，四大功能模塊的硬件設(shè)計(jì)是通過ESP32主控板和各類傳感器開發(fā)來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、血氧飽和度傳感器、二氧化碳傳感器、OLED顯示器、語音報(bào)警傳感器。該系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信是通過WiFi的形式實(shí)現(xiàn)的，傳感器感知一次性防護(hù)服微環(huán)境內(nèi)的參數(shù)，并通過WiFi將實(shí)時監(jiān)測的信息發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1.1 "ESP32單片機(jī)

系統(tǒng)選擇ESP32作為主控芯片，該芯片性能穩(wěn)定，具有良好的射頻性能、超低的功耗和價(jià)格[8]；同時還有I2C、SPI、UART等常用外設(shè)接口，操作簡便、易于上手，適用于各類智能控制。ESP32單片機(jī)具有32位雙核處理器，內(nèi)置藍(lán)牙和WiFi功能，不用再外接無線通信傳感器，可以減少開發(fā)成本，加快開發(fā)速度。其中WiFi的速度高達(dá)150 Mb/s，工作頻率為2.5 GHz。該芯片既可以基于內(nèi)嵌的XtensaR32?bitMCU作為獨(dú)立的片上系統(tǒng)使用，也可以作為其他MCU主控方案的從設(shè)備[9]，支持多種串行通信。憑借其穩(wěn)定的性能和內(nèi)置的自校準(zhǔn)電路，ESP32消除了外部電路的弊端，并提供動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，能很好地適應(yīng)不斷變化的外部條件[10]。

1.2 "WiFi配網(wǎng)

要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制醫(yī)用防護(hù)服微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的正常運(yùn)行，就需要對整個工作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。配網(wǎng)是連接網(wǎng)絡(luò)中非常重要的一環(huán)，監(jiān)測系統(tǒng)在上電后需要連接WiFi，此時程序會自動切換到配網(wǎng)模式，可以根據(jù)手機(jī)的提示輸入熱點(diǎn)密碼和連接網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備配網(wǎng)需要將ESP32設(shè)置為AP熱點(diǎn)模式并且打開手機(jī)熱點(diǎn)，然后用手機(jī)連接名為NodeMCU?ESP32的WiFi信號，會自動跳到配網(wǎng)頁面，根據(jù)自己手機(jī)熱點(diǎn)的名稱和密碼，輸入到對應(yīng)的配網(wǎng)頁面WiFi SSID和WiFi PASS處，輸入完熱點(diǎn)的賬號和密碼后，就會跳轉(zhuǎn)到如圖2a）所示的頁面，配網(wǎng)成功之后會跳轉(zhuǎn)到如圖2b）所示的頁面。

1.3 "傳感器模塊

本文監(jiān)測系統(tǒng)選用DHT11溫濕度傳感器來對防護(hù)服微環(huán)境中的溫度和濕度進(jìn)行測量。DHT11傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，該產(chǎn)品具有響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[11]，并且能夠滿足系統(tǒng)的需要。此外，DHT11采用單線串行接口，通信便捷[12]。

SGP30氣體傳感器采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，利用薄膜制作工藝和深反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)，極大地縮小了傳感器的體積。通過增加傳感元件和加熱元件間的熱隔離，使得傳感器精度得到了明顯的提高[13]。

MAX30102是一種集成有脈搏血氧檢測儀和心率監(jiān)察儀等生物感應(yīng)器的模塊，整合了多種LED、光學(xué)電子學(xué)探測器、光學(xué)元件，包括具有環(huán)境光抑制功能的低噪音電子電路等[14]。

1.4 "實(shí)時監(jiān)測流程圖

一次性防護(hù)服微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測流程如圖3所示。當(dāng)通電后ESP32會進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后配網(wǎng)，之后ESP32會給各個傳感器發(fā)送指令，各個傳感器會進(jìn)入工作狀態(tài)，對微環(huán)境里的溫濕度、人體的血氧飽和度和心率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測的每一個數(shù)據(jù)都會在計(jì)算機(jī)端網(wǎng)頁和手機(jī)網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時顯示，且監(jiān)測的每一個數(shù)據(jù)會與設(shè)定好的報(bào)警閾值進(jìn)行比較。如果實(shí)時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)小于設(shè)定閾值，監(jiān)測系統(tǒng)會進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)采集；如果實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值，ESP32會給語音模塊JQ8900?16P發(fā)送指令，報(bào)警器就會發(fā)出語音報(bào)警，提示穿著人員注意休息和通風(fēng)換氣，后臺控制人員也會在網(wǎng)頁上看到相應(yīng)的提示，以進(jìn)行醫(yī)護(hù)人員的輪流調(diào)整。

2 "物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開發(fā)

2.1 "創(chuàng)建新產(chǎn)品

本文系統(tǒng)利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示、監(jiān)控以及報(bào)警功能。首先要創(chuàng)建產(chǎn)品，產(chǎn)品名為一次性防護(hù)服微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)備名為xinlv，產(chǎn)品和設(shè)備創(chuàng)建完成后可以獲得設(shè)備的三元組，如圖4所示，三元組作為設(shè)備的位移編號與下位機(jī)ESP32一一對應(yīng)。

通常三元組用于ESP32單片機(jī)和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接，通過修改代碼中的三元組能夠連接不同的設(shè)備。

代碼編寫設(shè)置如下：

//定義PRUDUCT_KEY a108TA6NLSm

#define PRODUCT_KEY \"a108TA6NLSm\"

//定義DEVICE_NAME xinlv

#define DEVICE_NAME \"xinlv\"

//定義DEVICE_SECRET 29b30a53f9fbcd89656a7c35fc8317fa

#define DEVICE_SECRET \"29b30a53f9fbcd89656a7c35fc8317fa\"

通過對PRUDUCT_KEY、DEVICE_NAME、DEVICE_

SECRET進(jìn)行單獨(dú)定義，在將代碼移植到別的設(shè)備時，只需要更改三元組就能讓代碼正常運(yùn)行，提高了代碼的可移植性。

2.2 "添加產(chǎn)品功能

當(dāng)設(shè)備創(chuàng)建成功后，在產(chǎn)品中查看一次性防護(hù)服微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)入功能定義，添加自定義功能。以血氧飽和度為例，設(shè)置功能名稱為血氧，標(biāo)識符為Enoximetry，數(shù)據(jù)類型為int32，取值范圍為0～100，步長為1，單位為%，讀寫類型為只讀，設(shè)置完成后，點(diǎn)擊發(fā)布上線。當(dāng)有單片機(jī)連接到阿里云平臺時，設(shè)備xinlv將變?yōu)樵诰€狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云平臺時，點(diǎn)擊查看，查看物理模型數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時數(shù)據(jù)，如圖5所示。

2.3 "瀏覽器頁面設(shè)計(jì)

通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控過程繁瑣復(fù)雜，而且在后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控時用戶權(quán)限過高，不利于用戶管理，所以本文利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺的IoT Studio，進(jìn)行了Web可視化和移動端可視化的開發(fā)，方便穿著人員和后臺監(jiān)控人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，圖6所示為Web端頁面設(shè)計(jì)圖。

隨著時代的發(fā)展，數(shù)據(jù)可視化在數(shù)據(jù)展示中的重要性逐漸凸顯，相比于書面信息，人腦對視覺信息的識別相對容易。使用圖表匯總復(fù)雜的數(shù)據(jù)，更能直接地展示所要表達(dá)的信息[15]，而數(shù)據(jù)曲線作為數(shù)據(jù)可視化的基礎(chǔ)方式之一，通過直觀的數(shù)據(jù)展示可以看清楚數(shù)據(jù)的變化情況以及變化趨勢，其能夠?qū)?shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式展示出來，從而便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。

本文系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)曲線對血氧飽和度、心率、溫度、濕度、二氧化碳數(shù)據(jù)進(jìn)行同步展示。以血氧飽和度為例，首先在物聯(lián)網(wǎng)Web可視化開發(fā)頁面尋找實(shí)時曲線組件，然后設(shè)置數(shù)據(jù)源配置，數(shù)據(jù)源選擇設(shè)備，模式為多設(shè)備單屬性，產(chǎn)品名為一次性防護(hù)服微環(huán)境檢測系統(tǒng)，設(shè)備選擇指定設(shè)備中的xinlv，屬性為血氧飽和度。

數(shù)據(jù)源配置完畢后，可以調(diào)整合適的曲線顏色，設(shè)置曲線圖名稱。同理可以設(shè)置心率、溫濕度、二氧化碳濃度曲線，采集1 h的數(shù)據(jù)后，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)頁面如圖7所示。

3 "物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺的驗(yàn)證

3.1 "實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

為測試本文系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測能力以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺的搭建是否真實(shí)有效，進(jìn)行穿戴和數(shù)據(jù)后端顯示的實(shí)驗(yàn)。通過把語音報(bào)警器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器語音芯片、ESP32開發(fā)板等集成到一塊PCB板上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。

血氧傳感器會通過引線連接到穿戴者的手腕處，PCB板上面留有電源接口，通過充電寶等供電方式可以給整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立供電，當(dāng)穿戴者把硬件集成PCB固定到胸前以后，打開電源開關(guān)，整個開發(fā)板集成系統(tǒng)就會得到供電，同時打開手機(jī)熱點(diǎn)，配網(wǎng)成功后，數(shù)據(jù)就會實(shí)時地上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺。監(jiān)測系統(tǒng)硬件圖如圖8所示。

3.2 "測試設(shè)備

將一次性防護(hù)服微環(huán)境檢測系統(tǒng)佩戴帶在胸前，充電寶作為集成開發(fā)的電源持續(xù)供電，把開發(fā)板固定完畢后，就可以完整穿戴好防護(hù)服進(jìn)入作業(yè)區(qū)域進(jìn)行工作。圖9a）中把監(jiān)測設(shè)備固定于穿戴者的胸部，因?yàn)殡S著微環(huán)境溫度、濕度的增高，人體胸部的溫度較高；圖9b）中穿戴者已完整穿戴好防護(hù)設(shè)備。

穿戴者打開自己的手機(jī)熱點(diǎn)就可以讓開發(fā)板連接到自己的手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、上傳與下發(fā)的功能。通過手機(jī)打開各個監(jiān)測數(shù)據(jù)的報(bào)警開關(guān)并設(shè)定好相應(yīng)的閾值，如果一次性防護(hù)服微環(huán)境超過所設(shè)定的閾值，就會發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警聲音。

監(jiān)測頁面如圖10所示，后臺控制人員可以通過圖10a）Web頁面進(jìn)行監(jiān)測，穿戴者可以通過移動端頁面圖10b）進(jìn)行監(jiān)測。

從圖10中可以看到，實(shí)時監(jiān)測頁面豐富地展示了當(dāng)前環(huán)境的溫濕度、防護(hù)服內(nèi)部的溫濕度、二氧化碳含量、穿戴者的心率和血氧飽和度，后臺控制人員可以隨時清楚地看到防護(hù)服微環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時了解穿戴者的工作狀態(tài)。

4 "結(jié) "論

隨著科技飛速發(fā)展，加之信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與一次性防護(hù)服設(shè)計(jì)相結(jié)合能夠?yàn)獒t(yī)護(hù)人員提供便利的工作條件。本文基于傳染病疫情工作者所處的高危高感染環(huán)境，利用嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、傳感器監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計(jì)一種以ESP32為控制核心的監(jiān)測系統(tǒng)，以實(shí)時監(jiān)測防護(hù)服內(nèi)的情況，從而減少人力物力的投入，在醫(yī)護(hù)人員自身安全得以保障的前提下，提高工作的效率，減少病毒對于醫(yī)護(hù)人員的危害。利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)了一次性防護(hù)服微環(huán)境的數(shù)據(jù)實(shí)時展示界面，穿戴者可以通過手機(jī)網(wǎng)頁查看自己所處的微環(huán)境當(dāng)中各種數(shù)據(jù)的狀況，及時做出相應(yīng)的工作判斷；對于后臺控制者來說，可以通過Web頁面實(shí)時監(jiān)測所處工作環(huán)境醫(yī)護(hù)人員的工作狀態(tài)，及時通過數(shù)據(jù)提醒工作人員注意休息和做出人員的輪換。利用數(shù)據(jù)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)超限設(shè)置，超過相應(yīng)的設(shè)定閾值會發(fā)出相應(yīng)的語音和頁面顯示的報(bào)警。

注：本文通訊作者為吳濤。

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