基于物联网的病区智能采集关键技术的研究

张茜，陈广飞，何史林，应俊，周丹

中国人民解放军总医院 a.生物医学工程研究室；b.医务部， 北京 100853

基于物联网的病区智能采集关键技术的研究

张茜，陈广飞，何史林，应俊，周丹

中国人民解放军总医院 a.生物医学工程研究室；b.医务部， 北京 100853

目的 结合普通病区日常护理的需求，设计一种快速采集脉搏、体温装置，并且将数据发送至医院信息系统（HIS）。方法通过设计物联网的感知层、网络层和应用层之间的数据交互，实现对体温、脉搏的数据采集、传输和保存。结果该装置能满足病区日常体温、脉搏的智能采集与全面汇聚，解决了临床中人工采集体温、脉搏，费时、费力的问题。结论改善了医疗服务质量与模式，减少了医护人员的工作量。

物联网；医院信息系统；体温计；脉搏计

0 前言

随着现代科学的发展和医疗信息化程度的提高，要求医疗技术向数字化、智能化方向转变，医疗物联网是未来智慧医疗的核心。医疗物联网的实质，是将各种信息传感设备，如射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）装置、医学传感器等与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，进而实现资源的智能化、信息共享与互联。

医院普通病区每日都要测量患者的体温、脉搏。体温每要天测量3次，脉搏在早上测量1次。体温一般是护士将水银体温计逐一发下去，过5 min后再去病房收回，收回的同时记录体温数据以及手指测量患者腕部。这不仅占用了医务工作者大量的时间，而且测量结果也有误差，效率低，增加了医院的运营成本。目前市场上的电子体温计、脉搏采集由于自身的限制，无法消毒，不利于患者之间交叉使用，因此不能在医院大量使用。

基于上述的分析，我们设计了一种基于物联网的体温、脉搏采集装置。其技术架构由感知层、网络层和应用层组成。

1 物联网系统架构

从技术构架上来看，物联网[1]可以分为3层：感知层（由各种传感器以及传感器网关构成）、网络层（由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成）和应用层（物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用）。最后连接到医院医院信息系统（Hospital Information System，HIS），完成生理参数与HIS信息的交互。物联网系统构架，见图1。

图1 系统构架图

1.1 感知层

感知层的功能主要是进行体温和脉搏信息的感知与采集，将采集的信息转换为数字信号以供后续处理。

1.1.1 体温采集

体温采集电路主要由JA31104芯片和热敏电阻组成。JA31104芯片可将温度信号转换为电信号，测温范围为32～42.99℃，测温精度为0.01℃，通过JA31104芯片的OEB/DATA管脚的脉冲数据来实现读取体温数据，OEB/ DATA管脚的输出时序图，见图2。当DATA管脚在关闭状态（OFF state）时不进行测量，在打开状态（ON state）时，每0.5 s作为1个测量时钟（measurement clock）进行1次测量，当测量稳定后，1个测量时钟内的脉冲个数将趋于稳定。读取的脉冲个数与温度的对应关系，见表1，可以根据此表计算出测量的实际温度。将OEB/DATA管脚的输出时序送至单片机，单片机对数字信号进行计数，并比较每次的计数值，将比较后的最大值作为测量结果，此时可以根据表1中DATA管脚脉冲个数与温度的对应关系对此最大值进行运算得出测量的体温值，运算完成后将结果显示在液晶屏上以便患者观察。

图2 OEB/DATA管脚本的输出时序图

表1 DATA管脚脉冲个数与温度的对应关系

1.1.2 脉搏采集

心电信号是心脏电活动在体表的综合反映，它是由一系列的波组构成。一个波组由P波、QRS波群、T波及U波组成。根据公式60/RR间期，可以获得脉搏参数。因此，可以利用单片机来处理采集的心电信号实现脉搏参数的计算。

心电信号的采集设计为单导联，其电路[2-3]包括电极、导联线、信号放大电路、滤波电路。选用自粘式Ag-AgCl电极，患者使用时将其分别粘在其左右手拇指处。导联线使用单芯屏蔽电缆，屏蔽层与电路板共地，可以有效地抑制外界的干扰。导联线与电极通过按扣连接，当其他患者使用时仅需更换电极，避免了患者之间的交叉感染。

信号放大电路包括前置放大电路、仪表放大电路。前置放大电路，见图3。选用Analog Devices公司的OP4177作为第一级放大器[4-5]，具有低噪声、低漂移、高输入阻抗、高共模抑制比的特点。在前置放大电路的前端采用并联二极管的方式对输入端进行保护，防止大电压的冲击，将输入信号的幅度范围限定在±1V。仪表放大器[5]选用Analog Devices公司的AD8221，见图4。筛选电阻可以实现6倍的放大倍数，90 dB（分贝）的共模抑制比，能很好地抑制宽带干扰和线性失真。在心电信号放大电路后加入RC滤波电路，可以有效地抑制直流漂移、低频噪声和高频信号的干扰。

图3 前置放大电路

图4 仪表放大电路

心电信号经过采集模块的放大与滤波之后，其信号为模拟信号，为了进一步分析心电信号，单片机首先要对其进行A/D转换，然后对数字信号进行数字滤波[6-7]，最后进行RR波的提取及定位。RR波的提取及定位主要是根据阈值控制算法[8-9]进行运算，根据一定的幅度和阈值来确定R波的位置。当一个RR波被检测出之后，使用该波形的参数调整阈值，从而适用信号的改变。测量结束后结果显示在液晶屏上。

1.2 网络层

网络层主要负责信号传输，此系统工作于433MHz频段的NRF905芯片作为无线收发芯片。

在感知层完成信息采集之后，通过体温计、脉搏计的NRF905发送数据，将设计好的USB905芯片插在护士站电脑的USB上，作为数据的接收端。这种方法可以避免医护人员手抄记录。体温计和脉搏计中的天线选用RainSun公司的陶瓷天线。使用16M晶振，并使用1个大电阻和2个电容配合起振。USB905芯片内部有5个寄存器，分别为射频配置寄存器[10]（设置芯片的射频频段、发射功率、收发数据的有效字节数、本身地址信息、CRC（循环冗余校验码）校验的位数（8 位或16位））；发送地址寄存器保存目的地址的信息，发送数据寄存器保存保存发送的有效数据信息，接收数据寄存器保存接收的有效数据信息；状态寄存器保存数据准备就绪（DR）和地址匹配（AM）信息。采集结束后主控芯片对USB905芯片寄存器进行配置，同时使用载波监听功能以避免高峰时段的数据冲突，此时患者的测量数据就可以准确无误地发送至接收端USB905芯片。

USB905芯片设计使用Silicon公司的C8051F327进行开发，仍然使用NRF905作为收发芯片。C8051F327首先设置NRF905，使其一直处于收发状态，并且与脉搏计的射频配置寄存器参数一致。C8051F327提供全速（12兆位/s）或低速（1.5兆位/s）操作，符合USB2.0规范，外围器件只需要电容和晶体。USB 接口的差分数据线对应芯片的UD-和UD+直接相连，UD-和UD+是信号线的物理接口，由输出驱动电路和输入接收器两部分组成，实现了USB物理层的特性。芯片内置12MHz振荡器，并且内建稳压器和实体层收发器，不必额外增加零件就能直接与USB线路连结，见图5。其中P2口和P0口控制NRF905，实现NRF905的配置与数据收发。天线选用思科的全向天线，经过测试可以在60 m范围内实现通信。在芯片中通过软件设置USB模块的工作方式，接收数据完成后，将数据送至护士站上位机程序中。

图5 C8051F327电路

1.3 应用层

应用层主要是接收网络传递来的数据信息，并执行一些处理行为。此系统主要进行体温、脉搏信息的接收、保存工作。

在护士站的电脑安装上位机程序，该程序使用Visual Studio 2008的基于对话框类进行开发。首先是上位机识别USB905设备，使用函数NetUSB_findDevice（const UINT VendorID,const UNIT ProductID）寻找指定PID和UID的设备。设备连接完成后，上位机程序与医院HIS数据库建立Socket连接，从HIS中调出该病区的病人基本信息。使用类CDatabase的函数，实例化一个对象CDatabase p_DB，使用语句p_DB.OpenEx（LPCTSTR lpszConnectString,DWORD dwOptions=0）建立连接。函数的参数包括DNS、用户名和密码。对数据库进行的操作有查询（SELECT）、更新（UPDATE）、插入（INSERT）、删除（DELETE）等，均通过执行SQL语句完成。

连接完成后进行通信，首先配置USB905的地址，使其与脉搏计的目标地址一致。然后使用VC++的消息映射机制及多线程处理机制处理消息队列，应用程序中含有一段称作“消息循环”的代码，用来从消息队列中检索这些消息并把它们分发到相应的窗口函数中。使用Windows API（应用程序接口）中的函数PostMessage，函数原型为BOOL WINAPI PostMessage（HWND hWnd,UINT Msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam）。将消息放入与指定窗口创建的线程相联系消息队列里，不等待线程处理消息就能返回，它是一种异步消息模式。程序中的代码如下：

当有消息到来时，进入消息处理函数。在Windows中系统通过消息号区别不同消息，再进行相应处理。为了不与系统预定义消息相冲突，自定义消息号值 ＞1， WM_ USER是系统的消息的最大号，语句：#define WM_NEW_ MSG WM_USER+1，即定义消息号，将此语句放入头文件（.h）。同时定义一个相应的消息映射：afx_msg void OnNewMsg(WPARAM pParam,LPARAM lParam)；在文件（.cpp）里添加消息映射，代码如下：

最后在消息处理函数void CDemoDlg::OnNewMsg (WPARAM pParam,LPARAM lParam)中添加处理代码。

以上设置完成后，脉搏计的数据即可在上位机程序界面中显示出来。其界面还提供保存功能，即保存数据到HIS，与病人的基本参数建立关联。

4 结束语

本文基于物联网设计和实现了体温及脉搏的智能采集，为病区患者的日常护理参数采集提供了一种新颖的实现方式。这种方式可以充分地应用到临床中，其测量精度及传输都具有较高的可靠性。另外，体温采集的方式可以极大地减少水银体温计的使用量，避免了体温计破碎带来的汞污染。

基于物联网的体温、脉搏采集系统可以减少医护人员的工作量，提高医疗服务的能力与效率、改善医疗服务质量与模式，促使医护人员为患者提供更加安全有效地医疗卫生服务。

[1] 黄鹏．物联网技术的架构与应用[J]．计算机科学,2011, 38(10):12-13．

[2] 蔡建新,张唯真．生物医学电子学[M]．北京:北京大学出版社,1997．

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[6] 何史林,陈广飞,应俊,等．串口型心电信号检测模块的设计[J]．医疗卫生装备,2012,33(10):20-23．

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Research on Key Technology of Ward Intelligent Acquisition Based on Internet of Things

ZHANG Qian, CHEN Guang-fei, HE Shi-lin, YING Jun, ZHOU Dan
a.Department of Biomedical Engineering; b. Department of Medical Service, General Hospital of PLA, Beijing 100853,China

ObjectiveCombined with daily care requirements in general ward, a kind of device, which can acquire pulse and temperature data fast, was designed. Then the data was sent to HIS (Hospital Information System).MethodsThe interaction between those individual layers-perception layer, network layer and application layer of the Internet of Things (IOT) was achieved to realize intelligence collection data transfer and storage.ResultsThis device could intelligently gather pulse, temperature, and solve time-consuming, laborious problems in manual collection pulse and temperature.ConclusionThis device could improve the quality and model of medical service, and decrease the workload of medical staff.

Internet of Things; hospital information system; thermometer; pulsimeter

TH772+.2；TP393.02

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.03.008

1674-1633(2014)03-0028-03

2013-10-20

2013-11-12

国家重大专项（2013ZX03005012 ）。

本文作者：张茜，硕士研究生。

作者邮箱：heshilin301@163.com