NICU培養(yǎng)箱溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

何逸開+王敏

摘 要： 研究設(shè)計了Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)框架下的新生兒培養(yǎng)箱實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)。以柔性貼片式體溫傳感器和CC2530射頻芯片為核心，設(shè)計了信息采集節(jié)點，并基于CC2530加UART接口設(shè)計了協(xié)調(diào)器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。護(hù)士工作站監(jiān)護(hù)軟件可以從智能網(wǎng)關(guān)中實時讀取箱溫和體溫數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比對監(jiān)測，并自動生成體溫單圖表。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； ZigBee技術(shù)； CC2530； 新生兒培養(yǎng)箱； 溫度監(jiān)測

中圖分類號：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-40-03

Research and design of wireless temperature monitoring system for NICU incubator

He Yikai， Wang Min

（Information Department of Shaoxing Women&Children's Hospital， Shaoxing， Zhejiang 312000， China）

Abstract： The real time temperature monitoring system of neonatal incubator based on ZigBee wireless sensor network is designed. The information acquisition node is designed based on the flexible body temperature sensor and CC2530 RF chip； the coordinator node and gateway are designed based on CC2530 and UART interface to realize the remote data transmission. The nurse workstation monitoring software can read the temperature data of body and incubator from the intelligent network in real time， analyze and compare the monitoring， and automatically generate the temperature chart.

Key words： wireless sensor network； ZigBee technique； CC2530； neonatal incubator； temperature monitoring

0 引言

在美國每年有10%的嬰兒需要在新生兒重癥監(jiān)護(hù)中心（NICU）接受看護(hù)。中國隨著二胎政策的全面放開，勢必面臨著NICU病人增多，護(hù)理難度增大等問題。目前的嬰兒培養(yǎng)箱雖然能為新生兒提供適宜的溫度和濕度環(huán)境，提高早產(chǎn)兒的存活率，但新生兒體溫的采集和監(jiān)測都還停留在人工測量、記錄階段，消耗大量的人力物力，工作效率低，對新生兒身體狀況指標(biāo)缺乏及時的了解，造成護(hù)理安全隱患。如何通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)框架將獨立的嬰兒培養(yǎng)箱整合到一個完整的監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)，使培養(yǎng)箱箱溫和新生兒體溫變化實時地呈現(xiàn)到護(hù)士工作站PC端界面，從而減輕護(hù)士工作量，提高效率，這些是本文討論和研究的重點。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

ZigBee無線通信技術(shù)使用2.4GHz波段，采用跳頻、擴頻技術(shù)，可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，是一種低功耗、低成本、時延短的短距無線通訊技術(shù)[1]，與傳感器結(jié)合就能組建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)一點對多點通信，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按功能分為三大類：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、終端節(jié)點。

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要功能是啟動ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端采集節(jié)點、路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚和與PC機的串口通信。路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)接收采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，傳送至協(xié)調(diào)器。終端采集節(jié)點實現(xiàn)的功能主要包括狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)采集、與路由節(jié)點協(xié)同實現(xiàn)體溫數(shù)據(jù)的發(fā)送，并在保證工作性能的情況下盡量降低功耗。

根據(jù)實際情況和用戶的需求，一定數(shù)量的節(jié)點可以組成3種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，分別是星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[2]。由于NICU區(qū)域面積較大監(jiān)護(hù)病人較多，因此本系統(tǒng)在這樣場所使用樹形網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)使用基于ZigBee的WSN技術(shù)，借鑒了國內(nèi)外醫(yī)療監(jiān)護(hù)研究經(jīng)驗，設(shè)計了系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1所示。其中S1，S2，S3……分別代表各個保溫箱的溫度信息采集終端節(jié)點，系統(tǒng)框架由數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、護(hù)士站PC監(jiān)護(hù)終端和數(shù)據(jù)庫五部分組成。

溫度信息采集終端節(jié)點可實時進(jìn)行新生兒體溫和培養(yǎng)箱箱溫的信息采集。路由節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)和子節(jié)點管理，擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮網(wǎng)關(guān)的作用，收集節(jié)點采集的生理信息和網(wǎng)絡(luò)布局信息，通過UART的方式傳到與之相連的護(hù)士站PC監(jiān)護(hù)終端，終端的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、以動態(tài)體溫單的形式展示并將病人信息體溫數(shù)據(jù)及時存儲到數(shù)據(jù)庫中。

2 硬件功能模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的終端采集節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點都以CC2530芯片為核心，CC2530芯片是一款真正的SoC，它將一個完全集成的、性能優(yōu)秀的RF收發(fā)器與一個增強型8051微處理器內(nèi)核結(jié)合起來，因此用一片CC2530芯片和少量外圍電子元器件組成的電路就可以實現(xiàn)無線通信和數(shù)據(jù)處理[3-4]。

本系統(tǒng)中路由節(jié)點結(jié)構(gòu)相對簡單，硬件上只要在數(shù)據(jù)采集節(jié)點基礎(chǔ)上去掉相關(guān)醫(yī)療傳感器即可，軟件實現(xiàn)方面也與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相同。因此下面重點講述數(shù)據(jù)采集節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點軟硬件研究與設(shè)計。

2.1 溫度信息采集終端節(jié)點

2.1.1 硬件組成

溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由fever scout，DS18b20兩種溫度傳感器以及CC2530射頻芯片加外圍數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成，該節(jié)點具有可穿戴式、體積小、能耗低、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了使終端采集節(jié)點小型化，盡可能地減少外設(shè)，所以設(shè)計時采集節(jié)點模塊不包含調(diào)試接口，設(shè)計電路板時采用扣板式，分為帶CC2530芯片的主控制板和電源板，用排針將CC2530的相關(guān)引腳從主控制板引出，扣接到電源板上，使用時先將主控制板從電源板上取下，接到帶有調(diào)試接口的電源擴展板上下載應(yīng)用程序然后重新組裝。

Fever Scout是一個由柔性硅樹脂和聚氨酯制成的小貼片，含有VivaLnk eSkin電子皮膚，VivaLnk eSkin是嵌入平面微傳感器的軟膜，傳感器可監(jiān)測體溫。它是由印刷工藝在薄膜基板上制成，厚度僅大約15μm，柔軟可彎曲。靈敏度高達(dá)0.02℃，響應(yīng)速度也高達(dá)100ms。貼片通過一次性醫(yī)用敷料或膠帶貼到新生兒身體腋下皮膚表面，從而實現(xiàn)對嬰兒體溫的實時測量。而DS18b20是一種單總線式數(shù)字溫度傳感器，精度可達(dá)到0.5，默認(rèn)精度可達(dá)0.625，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于擴展維護(hù)等特點[5]，另外，DS18b20是溫度-電流傳感器，可有效提高系統(tǒng)抗干擾能力，實現(xiàn)對培養(yǎng)箱箱溫的準(zhǔn)確測量。

2.1.2 片上軟件設(shè)計

溫度信息采集終端節(jié)點的軟件設(shè)計要滿足以下幾點：低功耗、快速反應(yīng)、測量準(zhǔn)確。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能模塊分為：中斷處理模塊、傳感器驅(qū)動模塊和通信協(xié)議模塊。為了降低節(jié)點功耗，本系統(tǒng)采用休眠-喚醒的機制。當(dāng)節(jié)點不工作時，節(jié)點處于休眠低功耗狀態(tài)，當(dāng)收到護(hù)士站PC端監(jiān)護(hù)程序命令時，產(chǎn)生中斷節(jié)點停止休眠，啟動測量程序。驅(qū)動設(shè)計結(jié)合通信協(xié)議棧，嚴(yán)格控制時鐘時序，迅速讀出溫度傳感器的測量結(jié)果。

由于DSl8820測量具有一定的誤差，所以本系統(tǒng)采用軟件補償?shù)姆椒ǎ褂米钚《朔▋?yōu)化測量結(jié)果。該方法常用于數(shù)據(jù)的優(yōu)化，一般方法是尋找最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。本系統(tǒng)的做法是對給定的m個數(shù)據(jù)組（Xi，Yi）（i=0，l，…，m），其中Xi為測量值，Yi為真實值。采用函數(shù)擬合的方法求得函數(shù)f（X），使誤差的平方根最小，其中誤差ei=f（Xi）- Yi。本系統(tǒng)測量20組的測量值和真實值（Xi，Yi），按照線性關(guān)系擬合出函數(shù)f（X）=a（x）+b，通過實際測量可以將精度控制在±0.1。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點功能相當(dāng)于智能網(wǎng)關(guān)，在本系統(tǒng)中可以作為網(wǎng)關(guān)與上位機通信的硬件，結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，包括CC2530射頻模塊、仿真下載模塊、開關(guān)指示電路、UART和USB接口等。與數(shù)據(jù)采集節(jié)點相比多了接口模塊。接口模塊用于與護(hù)士站PC端通信，設(shè)計UART和USB兩種接口，使系統(tǒng)具有可擴展性。

軟件實現(xiàn)按功能劃分模塊包括：網(wǎng)絡(luò)建立模塊、節(jié)點管理模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊[6]。網(wǎng)絡(luò)建立模塊通過使用ZigBee通信協(xié)議，首先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，然后尋找可利用信道，建立網(wǎng)絡(luò)，最后是允許其他節(jié)點加入。節(jié)點管理模塊負(fù)責(zé)節(jié)點的加入和脫離，給節(jié)點分配地址，使整個網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)性和自愈性。數(shù)據(jù)接收模塊主要是通過協(xié)議?；卣{(diào)函數(shù)，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點或者路由節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、整理，然后通過上傳模塊發(fā)送到護(hù)士站PC端監(jiān)護(hù)應(yīng)用程序接口中。

3 護(hù)士站監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計

監(jiān)護(hù)軟件采用基于JSP開發(fā)技術(shù)的B/S架構(gòu)。B/S架構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，用戶工作界面通過瀏覽器來實現(xiàn)，少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實現(xiàn)，形成所謂三層3-tier結(jié)構(gòu)。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。

通過JSP開發(fā)技術(shù)，用戶在瀏覽器頁面上就可以完成用戶角色管理，協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的讀取，培養(yǎng)箱溫度信息的曲線、表格展示，數(shù)據(jù)庫存儲、查找操作，數(shù)據(jù)分析和報警等功能。數(shù)據(jù)庫采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，通過JDBC語句連接，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)，這樣就加快了速度并提高了靈活性。下面是對監(jiān)護(hù)軟件功能模塊的簡單介紹：

⑴ 用戶角色管理

該軟件定義兩種操作角色：普通用戶與管理員，可以實現(xiàn)對多用戶的數(shù)據(jù)管理和操作。該模塊可以實現(xiàn)不同角色用戶的登錄、注冊，普通用戶可以修改自己的用戶名、密碼等基本信息。管理員可以查看所用用戶的信息以及網(wǎng)絡(luò)情況。

⑵ 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)讀取

監(jiān)護(hù)軟件通過串口與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信，該模塊可以實現(xiàn)對串口的讀寫，串口參數(shù)配置，并分離出NICU培養(yǎng)箱的體溫和箱溫參數(shù)，傳遞給數(shù)據(jù)庫操作模塊和數(shù)據(jù)展示模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和展示。

⑶ 數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)庫操作模塊

該模塊將協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)在瀏覽器頁面上進(jìn)行曲線、表格（體溫單）展示，護(hù)士可以直觀地看到病區(qū)內(nèi)所有新生兒的實時體溫和培養(yǎng)箱箱溫。同時數(shù)據(jù)庫操作模塊將各種測量生理參數(shù)寫入到用戶數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)數(shù)據(jù)表中。數(shù)據(jù)操作模塊還提供增刪改查功能，護(hù)士可以查找某個病人的指定時間段內(nèi)的所有體溫生理參數(shù)。

⑷ 數(shù)據(jù)分析和報警模塊

該模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行初級分析判斷，對新生兒體溫和培養(yǎng)箱溫度的異常數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件報警，同時將異常數(shù)據(jù)和相關(guān)信息寫入到系統(tǒng)日志中，以便日后觀察留底。同時該模塊還具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、打印等功能。

4 結(jié)束語

本文采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計算機技術(shù)研究設(shè)計的NICU培養(yǎng)箱溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化集中監(jiān)控管理，NICU護(hù)士通過本系統(tǒng)，能實時了解病區(qū)內(nèi)所有新生兒的體溫和箱溫狀況，從而對突發(fā)情況作出及時反應(yīng)。進(jìn)一步滿足臨床對減少不良事件和設(shè)備安全使用的需求，提高了工作效率，對新生兒的體溫監(jiān)護(hù)形成保障。

同時該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、測量準(zhǔn)確、實用性強等特點，適合在各婦幼保健醫(yī)院推廣部署，具備較好的經(jīng)濟效益和社會價值。該設(shè)計在未來產(chǎn)品化過程中還需改進(jìn)，主要有以下兩點：

⑴ 設(shè)計更多可穿戴式無線生理參數(shù)采集節(jié)點，例如：心電、血氧飽和度、血壓等生理參數(shù)，對新生兒進(jìn)行全方位實時健康監(jiān)護(hù)。

⑵ 協(xié)調(diào)器節(jié)點上增加3G/4G通信模塊，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)的融合，新生兒父母在監(jiān)護(hù)中心外也能隨時了解新生兒身體狀況，幫助構(gòu)建和諧的醫(yī)患關(guān)系。

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