基于物联网技术的婴儿培养箱监控系统研制

王文丰，彭敦陆，顾 楠

1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海市，200093

2 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

基于物联网技术的婴儿培养箱监控系统研制

【作 者】王文丰1,2，彭敦陆1，顾 楠2

1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海市，200093

2 上海市医疗器械检测所，上海市，201318

物联网作为一个较为新兴的产物，越来越多地融入了我们的生活中。该文以婴儿培养箱为示例，介绍了物联网技术应用于降低医疗器械的使用风险，并通过动态管理提高管理的水平和使用的效率，提出了医疗设备物联的一种思路。并结合物联网及传感器的技术与特点，找出婴儿培养箱在管理、使用中的实际需求。对于医疗设备可动态进行管理，利用传感器对风险点加以控制，以满足医院和患者多个方面的要求。

物联网技术；Zigbee；无线传感；婴儿培养箱；动态管理

0 引言

医疗卫生是关系到国计民生的重大问题。近年来医疗器械故障引发的多起不良事件引起了多方的关注，例如婴儿培养箱温度失控、报警失灵等可能导致人体伤害等事件。其中的婴儿培养箱温度失控事件也屡次成为热门话题。根据国家药品不良反应监测中心数据显示，自2002年1月至2011年10月，国家药品不良反应监测中心共收到有关婴儿培养箱的可疑医疗器械不良事件报告332份[1]。

随着科技和社会经济的快速发展，如何降低医疗器械的使用风险成为了亟待解决的问题，这使得物联网受到了极大的关注。同时物联网医学改变传统医疗管理模式，对于医疗设备可动态进行管理，利用传感器对风险点加以控制。可见物联平台的设计与开发对国民生活水平的提高和疾病治疗具有重大的意义。

1 物联网平台介绍

本文研究了医疗设备互联网平台、客户终端平台和设备局域网系统。物联网(Internet of Things, IOT)就是“物物相连的互联网”[2]，在医疗器械适用范围广泛的今天，无线传感器网络可以应用于医院急诊室的无线监控，帮助医护人员做好实时的处理工作。开发研究的硬件是Intel Edison，软件是Yocoto project定制的Linux，传感器无线互联使用ZigBee，硬件配合软件实现记录和报警功能。系统的应用具有广泛的扩展性，适用于各个医疗器械，如：婴儿培养箱、门诊的输液、临床的护理、智能心音等等。此系统具有动态分配设施使用、自动记录和超过阈值时远程报警等功能，并且通过移动终端为医护人员提供协助服务。其通过无线网络可以实现信息实时、精准、快速的数据交互，不仅能降低医疗器械使用的风险，还提高医疗设备的使用效率。

2 医疗器械设备物联网平台的总体设计

本文建立了一个小型的物联平台如图1所示，并通过局域网实时推送各个传感器的信息。同时通过广域网的软件来做到简单控制。各个无线传感器通讯节点之间的信息交互采用国际通用的通讯协议，即各个智能节点，如监测婴儿培养箱的红外传感器、温湿度传感器等，将采集的信息通过无线传感网络上传到系统网关，转而由网关进行智能化的处理后分类记录及按实际需求推送到各个终端。本研究主要目的是探索揭示物联网系统的内在规律和本质特征，构建物联网络解析理论和软件物化方法[3]，采用物联网共性支撑技术和方法，建立物联网运行支撑平台原型、医疗物联网应用验证系统。

图1 系统总体框架图Fig.1 System overall frame chart

3 系统硬件设计

实施的方案是采用Intel公司开发的代号：Edison的主板，安装Yocoto Linux的嵌入式系统，利用无线技术链接各个传感器，智能节点的无线射频采用蓝牙技术，芯片为德州仪器的CC2540。通过Edison主板自带的WiFi与网关进行通讯。

3.1 医疗设备物联平台数据处理部分设计

Intel Edsion的基本结构由一颗主频500 MHz的双核Intel Atom CPU作为核心处理单元，同时CPU内一体封装了1 GB的DDR3内存作为缓存单元。作为整个物联平台的核心。英特尔®Edison包含核心系统处理和连接单元，其包括处理器和处理器电源管理IC、内存、TF、WiFi 、蓝牙，英特尔®Edison是作为一个模块通过一个70针连接器与最终用户的系统进行接口的对接。

3.2 医疗设备物联平台的硬件基础设施

如图2所示该系统包括四部分：推送服务器、英特尔®Edison 主板网关、手机和 ZigBee传感器。该系统有三大主要功能：

（1）情况监测和判断。ZigBee传感器可通过光传感器和红外线传感器监测婴儿培养箱的实时情况，并使用ZigBee协议将该信息发送至英特尔®Edison主板。英特尔®Edison 主板可判断培养箱内是否有婴儿，最终通过 WiFi将状态发送至推送服务器。

（2）婴儿培养箱预定和智能报警。护理人员可选择智能手机 Android 应用上状态显示为“闲置”的婴儿培养箱。如果没有合适的闲置婴儿培养箱，可以选择一个状态为“占用”的婴儿培养箱，然后等待该婴儿培养箱闲置。当英特尔®Edison 主板判断选定的婴儿培养箱为“闲置”时，将同步传输到服务器，服务器也将随即向应用发送通知，护理人员可以第一时间知悉，从而提高婴儿培养箱的使用率。另外，为全面监控婴儿培养箱的状态正常与否，确保婴儿的生命安全，一旦节点数据超过阈值时，服务器将即时推送报警到值班人员的手机应用，避免不良事件的发生。

（3）远程访问和控制。应用可通过 WiFi 从推送服务器上查询所预定的婴儿培养箱的状态，以获取ZigBee 传感器（如气体值、温湿度、震动和噪声）的实时状态。

3.3 物联平台的通讯模块

建立在线缆连接基础上的传统系统方案往往成本高、体积大、不便于携带，比较适合医院重症监护病房的急危重病人的监测[4]，然而对于婴儿培养箱并不适用。所以本次设计的通信采用无线连接，通讯模块采用英特尔®Edison主板集成的博通公司BCM43340模块，模块兼顾了安全性与兼容性。与各个数据采集节点的连接则采用ZigBee的通信模块。其创建网络时产生功耗较低，其认证设备必须具备最少两年的电池续航时间。

3.4 物联平台的供电模块

考虑到物联平台的广泛适用性，设计的平台采用直流供电加电池供电的组合模式，输入的电压范围3.15 V~4.5 V。

图2 硬件基础设施Fig.2 Hardware infrastructure

4 软件设计

4.1 医疗设备物联平台的软件设计

对于新生儿专科医院或者三甲医院而言，每天都有大量新生儿需使用婴儿培养箱。若要提高早产儿的存活率，婴儿培养箱是否能够高效地被使用是至关重要的。利用物联网技术，医护人员在任何地点、任何时间都能通过直观的物联平台掌握婴儿培养箱的实时情况。从而及时地调度，充分利用有限的设备资源，便于及时消毒和投入使用。本文研究的基于物联网技术的婴儿培养箱监控系统，利用物联网技术进行动态化、精细化监控，对于加强医院的仪器设备的使用与管理及新生儿健康保障意义重大。整体软件架构见图3。

图3 软件架构Fig.3 Software architecture

4.2 终端的通讯软件部分

基于物联网技术的婴儿培养箱监控系统将GlassFish Server 4.0 部署为推送服务器。 该推送服务器的架构，如图4所示。

图4 推送服务器架构Fig.4 Push server architecture

4.3 软件工作流

应用服务器的系统图，如图5所示。该系统使用ZigBee传感器来检测婴儿培养箱的状态。英特尔®Edison 主板检测到状态变化后，将会通知服务器其状态为“闲置”还是“占用”。服务器将更改数据库内存储的婴儿培养箱状态，并将状态消息推送到智能手机的Android应用上，以便医院进行重新合理分配。

图5 推送服务器的系统工作流Fig.5 System workf l ow for push server

5 Edison ZigBee 系统

5.1 ZigBee软件架构

英特尔®Edison 主板和 XBee 协调器之间的接口在Arduino中模拟为串行接口，运行在英特尔®Edison主板上的应用被用作 ZigBee 网关。通过网关向ZigBee 传感器发送命令和接收响应。ZigBee 协调器还负责将传感器报告的值传输至推送服务器。

5.2 ZigBee 堆栈设计

本文在 Arduino 内设计并实施了一款简单的ZigBee 堆栈，可与 ZigBee 传感器一起实现自动化测量和操作。它可在协调器模式下控制和管理光传感器、红外线传感器、温湿度传感器、震动传感器、噪声传感器和报警器传感器。

表1 ZigBee 堆栈设计类Tab.1 Stack class for Zigbee

6 手机端（Android）应用

安卓应用系统图见图6，用户打开该应用后，可选择需求一台可用婴儿培养箱，也可选择管理现有的婴儿培养箱（或更改现有婴儿培养箱的状态）。当需求一台可用培养箱时，用户通过选择使用时间段和病房地点搜索某个婴儿培养箱。 若婴儿培养箱闲置，护理人员可以直接预订该婴儿培养箱。若婴儿培养箱被占用，用户可以选择查看该培养箱的状态，其中包括各个传感器的实时数据及历史数据。当所有培养箱都被占用时，护理人员可按需求预定，一旦 ZigBee传感器在指定时间内检测到闲置的婴儿培养箱，推送服务器将会第一时间向HIS系统应用发送通知，接收到通知的用户便可成功预定。

图6 安卓应用系统图Fig.6 Android application system diagram

7 结论

本文通过软硬件的设计，研制了一套成本可控，扩展性强的物联监控系统，可提高产品风险可控度和市场竞争力，降低使用的风险，适合推广至婴儿培养箱。近年来，我国的医院信息系统（Hospital Information System，HIS）建设模式随着计算机软硬件技术的变化也在不断演变[5]，此次设计可以较好地满足多方位的需求，但同时该系统在堆栈和 HIS系统方面仍然面临着一些挑战，如堆栈和 HIS系统的功能和 API 较少，系统较不稳定等。未来可尝试进一步的改进，降低生产成本、提高系统稳定性或增加产品的功能，如对新生儿父母提供手机端的实时视频观看、婴儿体位感知等人性化功能。

[1] 莫文娟, 张学龙, 笪远锋. 婴儿培养箱不良事件总结及国内外监管现状[J]. 现代仪器与医疗, 2014, 20(2): 67-69.

[2] 黄家洺. 基于物联网的移动医疗监护系统的设计与实现[D]. 广州市: 广东工业大学, 2013.

[3] 刘旸. 物联网中多层/跨层接入管理关键技术[D]. 大连市：大连理工大学, 2014.

[4] 谭杏飞, 蓝惠兰, 李艳敏, 等. 重症监护临床信息系统在ICU的应用[J]. 国际医药卫生导报, 2015, 21(8): 1147-1150.

[5] 邱明辉, 余浩, 张震江, 等. 异构系统协同工作的医院信息化建设新模式[J]. 中国医疗器械杂志, 2016, 40(6): 418-420.

Development of Monitoring System for Infant Incubator Based on IOT Technology

【Key words 】WANG Wenfeng1,2, PENG Dunlu1, GU Nan2
1 School of Optical-electrial and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

IOT technology, Zigbee, wireless sensor, infant incubator, dynamic management

R197.39

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.007

1671-7104(2017)03-0181-04

2017-02-28

王文丰，E-mail: 188870716@qq.com

顾楠，E-mail: gn352115@126.com

【 Abstract 】IOT(Internet of things）is a relatively new technology, more and more integrated into our lives. In this paper we use infant incubator for example, introduce the application of IOT technology to reduce the risk of the use of medical devices, and through the dynamic management to improve the management level and ef fi ciency. Put forward a method of medical equipment linked. Combined with the point of IOT technology and sensor technology, we fi nd out the actual needs of the management and use of infant incubator. For the dynamic management of medical equipment, we use sensors to control risk points. The system meets the needs of the hospital and patients in many areas.