基于云平台的新生儿培养箱中央智能监护系统的设计与应用

孙少平，张俊，李元峻，周云波，张俊鹏

1. 玉溪市人民医院，云南 玉溪 653100；2. 玉溪师范学院，云南 玉溪 653100；3. 大理大学，云南 大理 671000

引言

新生儿培养箱已被广泛应用于各医院的新生儿科和妇产科，它的安全与患者的人身安全直接相关，必须进行严格的质量控制[1]。实际上，随着新生儿培养箱的广泛应用，由培养箱内部温度失控、报警失灵等引起的不良事件及医疗事故越来越多[2-3]。根据国家食品药品监督管理总局发布的医疗器械不良事件信息通报（2012年第4期），自2002年至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，其中温度失控多达167例[4-5]。而2016年国家医疗器械不良事件年度监测报告显示，排名前10的有源医疗器械就包括婴儿培养箱，其中温度失控占比较大。

目前，玉溪市人民医院已有几十台婴儿培养箱，而随着人民群众医疗需求的不断提升，婴儿培养箱数量势必继续增长。由于婴儿培养箱品牌不同和实时监测系统标准缺乏，已有的婴儿培养箱群还没有形成培养箱温湿度监测网络系统。新生儿监护室里有限的医护人员对婴儿培养箱群进行温湿度的监护工作力不从心，承受更多的精神压力[6]。如何让有限的医务人员在面对数十台处于工作状态的新生儿培养箱时，能有效的监控设备的运行情况，掌握箱内的各种变化并在出现报警时快速做出反应，已经成为各大医院新生儿科和妇产科亟待解决的问题[7]。

目前，国内对新生儿培养箱状态监测的研究主要集中在质量控制领域和无线数据传输方面，远远达不到实时状态监测效果[8]。国外对新生儿培养箱的监测研究起步较早，相继推出了多款监测产品，但这些产品多数用于医疗技术人员的调试方面，对于监测培养箱的实时工作情况并不适用。因此，针对新生儿培养箱监控系统的研究仍属于一个较新的领域。目前，市场上还没有相对成熟的产品来解决不同地区不同等级医院的需求，无法满足大规模使用新生儿培养箱的实时和集中监测需求[9]。

基于此，新生儿培养箱中央智能监护系统的设计与应用旨在解决上述问题，不仅对培养箱的临床应用和安全监测具有重要意义，而且在保障患者安全的同时，还能有效防止医疗纠纷和不良事件发生。

1 系统硬件设计

本系统从结构上分为两部分：前端采集系统和接收主机。前端采集部分由微处理器、温湿度传感器、无线传输模块组成，其作用是完成培养箱各测量点的温湿度数据采集工作，同时将有效数据传输给接收主机。接收主机由物联网关组成，其作用是接收采集器传输的温湿度监测数据，并将数据传输给本文设计的培养箱中央智能监护系统云平台。

本文采用无线温湿度传感器，测量新生儿培养箱内部温湿度数据。将无线温湿度传感器模块终端安放在培养箱内部，温湿度采集终端采用3.6 V电池供电，采集数据通过无线方式传送，传感器可根据实际监测需求灵活放置。同时，采用无线数据传输方式将周期性采集的数据实时、精准、快速的传输到指定接收设备，实现数据交互。

如图1所示，无线温湿度传感器设计由微处理器、温湿度传感器、无线收发模块、电源等集成，形成无线温湿度传感器模块。其中微处理器采用高性能、低功耗的8位AVR系列微处理器ATmega16L[10]；温湿度采集单元采用瑞士Sensirion公司生产的sht30集成式数字温湿度传感器，该传感器测温范围为-40℃～+85℃，测量精度为：±0.3℃（0℃～65℃），±1℃（其他温度范围），湿度测量精度：±3%RH（10% RH～90% RH）；无线收发模块采用Nordic VLSI公司最新封装改版的微功率RF905RD，该无线通讯芯片工作于433 MHz全球开放ISM频段免许可使用，集成度高，通讯稳定，传输直线距离150 m左右，信号可覆盖3层楼，完全满足培养箱的温湿度监测要求[11]。sht30温湿度传感器与微处理器之间采用Modbus协议进行通讯，完成培养箱各点的采集任务；RF905RD无线通讯芯片使用SPI接口与微处理器进行通信，完成整个数据接收和发送过程。微处理器控制温湿度传感器sht30采集培养箱的温湿度，然后利用RF905RD无线收发模块将采集到的温湿度数据发送给温湿度网关设备进行下一步处理。

图1 无线温湿度传感器模型

此无线温湿度传感器可与物联网关配套使用，所有传感器采集的数据都要汇集到网关中，所有对终端的控制指令也都通过网关向下发送，可支持30路温湿度采集器。网关内置操作系统，可对网络和数据进行维护和存储，同时具备远程传输能力，通过对物联网关硬件参数的解析，利用以太网或局域网将无线温湿度传感器的数据信息汇集到云平台进行存储。本研究设计的新生儿培养箱中央智能监护系统与云平台进行数据对接，实现远程监测。无线温湿度传感器与物联网关的应用模型如图2所示。

图2 传感器与物联网关应用模型

2 系统软件设计

2.1 系统架构及关键技术

本系统主要通过外置无线温湿度传感器对培养箱内温湿度数据进行实时采集，通过采集网关将数据传送到云端上的培养箱中央智能监护系统。此系统数据存储在云端，用户可通过多终端进行访问。其架构如图3所示。

图3 系统架构图

整个系统构架有如下特点。

（1）无线传感器的双向控制技术对新生儿培养箱中的温湿度进行实时监测，将采集到的数据采用无线传输方式通过物联网关传送到中央监护平台。为了提高温湿度传感器的可靠性，采用双温湿度监测模式，确保新生儿培养箱内的温湿度在任何时候都处于安全可控的范围。同时，定期对温湿度传感器进行比对，确保温湿度传感器性能的稳定性。由于系统架构采用外置无线温湿度传感器来采集信息，对不同品牌的新生儿培养箱有较强的兼容性，均可实现温湿度采集。

（2）中央智能监护平台是整个研究的核心部分。平台数据库部署在云端，用于大数据的处理和存储。系统增加了备份数据库，用于定时对数据进行双机备份，避免数据的丢失和损坏。智能监护系统可向医护人员发出声光结合的报警，还可利用中央智能监护平台对Wi-Fi智能插座进行双向控制，实现自动断电或请求人工远程断电等智能化操作。同时，医护人员可对数据进行实时监控及历史数据调阅，为医疗质量与安全提供时间、行为、位点的有力支撑。

（3）支持多终端访问，除本地网络系统外，支持广域网、云平台对接，多终端访问要求。对现有的Web技术进行整合后，实现中央智能监护平台在多终端设备上的应用。

2.2 系统平台建设

新生儿培养箱中央智能监护系统采用B/S模式构建支撑，所用核心开发语言为Java语言，依托IntelliJ IDEA平台开发了整个系统。采用多层分布式体系结构：显示层、表示层、业务层、持久层和数据访问层。其中使用Spring MVC作为后端与前端进行对接的基础架构。利用Spring Data框架与数据库进行持久化管理提供支持[12]。运用Spring进行业务逻辑的处理以及对Spring MVC和Spring Data进行调配管理。数据库部分主要采用Oracle 11g进行系统中数据的存储与管理。系统平台建设结构如图4所示。

图4 系统平台建设结构

2.3 系统功能模块

新生儿培养箱中央智能监护系统主要是对各个分散的培养箱进行温湿度监测。该系统包括培养箱实时监控、培养箱和传感器设置管理、用户基础设置管理、历史监测数据查询统计等主要功能模块。系统功能模块如图5所示。

图5 系统功能模块

（1）培养箱实时监控。系统主页显示各个培养箱的温湿度情况，当某一培养箱的温度和湿度超过设定值时，系统会自动报警，并在主界面滚动显示异常培养箱所在位置和当前的温湿度值，提醒医护人员及时进行查看和处理。

（2）培养箱和传感器设置管理。此模块主要实现培养箱和传感器基本信息的录入、性能状态和使用记录的查询。培养箱的基本资料包含培养箱名称、出厂编号、厂牌型号、启用时间、培养箱位置、运行状态以及与之关联的传感器的名称；采集器的基本资料包含采集器名称、厂牌型号、网关唯一码、分组编号、采集器ID、启用日期、温湿度正常值和上下限值等。其中培养箱和采集器是一一对应的关联关系，可方便医护人员及时、准确定位培养箱的具体位置，出现异常时做出响应。

（3）用户基础设置管理。主要功能有用户信息管理、角色信息管理、用户角色关联、模块信息管理、系统设置等模块。通过不同的账号进入系统界面所显示的信息不同，实现分级管理。

（4）历史监测数据查询统计。主要功能有监测信息和监测数据图模块。实现对培养箱不同时间段的温湿度监测数据和报警记录的查询和统计，同时实现对温湿度监测数据趋势图的可视化。

3 系统测试及临床应用

本文基于云平台设计了一套新生儿培养箱中央智能监护系统，该系统可对各个培养箱的温湿度数据进行采集并实现集中动态监测管理，同时对异常数据进行报警。

3.1 系统测试结果

培养箱中央智能监护系统测试首页如图6所示，将无线温湿度传感器置于不同的温湿度环境。系统主界面可显示每台在线传感器的实时状态和报警信息，同时屏幕滚动提示异常温湿度传感器对应培养箱所在的位置和当前温湿度，通过不同的颜色区分异常数据。系统主界面只显示当前运行参数，可点击图标进行详细数据和图形的查看。

图6 系统测试首页

3.2 临床应用效果

随机选取五个培养箱进行实时监测，温度设置为36℃，机器箱温显示为1号培养箱（35.9℃）、2号培养箱（35.8℃）、3号培养箱（35.9℃）、4号培养箱（36℃）和5号培养箱（35.8℃）。将五个无线温湿度传感器分别置于不同培养箱的同一位置进行监测，系统监测结果如图7、图8所示。图7为被监测培养箱的实时温湿度数值，监测结果与培养箱设定温度以及培养箱控温仪上显示的箱温相差较小，监测效果良好；图8显示单个培养箱的温湿度监测信息，从监测局势图可以看出无线温湿度传感器监测的温湿度数据稳定，可靠性高。

图7 系统监测结果

图8 培养箱一温湿度监测数据图

3.3 临床监测数据

所有培养箱的温湿度监测数据，可通过历史数据中的监测信息进行查询，也可根据实际需求进行自定义查询。图9为五个培养箱的实际监测数据，监测所得的信息可以导出进行临床数据分析。

图9 系统监测数据

4 结论

本文基于无线传感器网络背景展开，将各个分散的培养箱进行集中联网管理，并设计采用无线温湿度传感器对新生儿培养箱的温湿度情况进行动态监测。同时，将所获得的数据信息通过无线通信的方式传输到中央智能监护平台云服务器上，并由中央智能监护平台将传感器数据信息进行保存和处理。本研究所设计的系统可采用多终端访问的方式对新生儿培养箱实施24 h智能化监控。此研究是完全独立的自主设计，是对现有婴儿培养箱厂家的温湿度体系和报警体系的一种监测和补充。在设备故障、温湿度监测失控时，使婴儿培养箱多了一层保障，能够使医护人员在最短的时间内进行有效的处理，保障患儿安全，减少不良事件发生。所监测的培养箱温湿度数据与原机检测数据进行比对，实现对各品牌培养箱的性能监测和评估，及时发现设备安全隐患，提高设备的整体性能，降低设备维护成本，提高工作效率。同时，本监护系统所得数据可以作为应对潜在医疗纠纷的证据支持。