基于IoT的医院病区护理智能化监控管理系统

戴舟尧，郭鹤魁，沈希龙，李志恒，江辉琪，陶 莎，薛 清

（江苏海洋大学理学院，江苏 连云港 222005）

1 研究背景

智能化、自动化的病区护理管理方式是顺应时代和社会发展方向的，具有较好的发展趋势。本课题为基于IoT的医院病区护理智能化监控管理系统，可适用于医院门诊系统和病房住院系统中的静脉输液监控和管理。坚持“以病人为中心”的服务理念，来完善临床服务系统，提高护理工作质量，这不仅是新医改的要求，更是深化护理改革的重要举措[1]。静脉输液作为临床上应用最为广泛的治疗用药方式，是护理工作内容的重要组成部分。静脉输液的科学性和安全性，直接影响了护理工作质量和患者满意度[2]。

2 管理系统整体设计

2.1 设计思路

2.1.1 病床智能输液装置设计思路

为了实现对病区患者的输液情况进行实时监控，需要设计一套病床智能输液装置，利用STM32微控制器配合应变片重力传感器、舵机、滴速控制装置、DS18B20温度传感器等传感器设备，实时监测患者输液剩余状态和输液速度，利用算法估算出本次输液大概剩余时间。

2.1.2 病房总控制器设计思路

如果将每一个病床输液装置采集的数据分开各自发往护理中心计算机端，数据量将会非常之大，因此需要在每个病房设计一个以STM32F7微控制器为控制核心的病房总控制器作为一个数据中转站[3]，收集当前病房内所有的输液装置采集的数据，将数据整合成一条JSON格式的数据，发送给护理中心计算机端的接收器，然后间接将JSON数据传输到计算机解析并显示。

2.1.3 护理中心计算机端的数据接收器设计思路

为了实现单片机和计算机端远程数据传输，设计了一个数据接收器，采用Lora远程数据传输方式接收医院病区所有患者的数据数据[4]，然后通过串口将数据传输到计算机端，并且为了和家属端小程序进行通信，数据接收器与esp8266连接并且与OneNet云平台进行通信，通过MQTT协议与手机端的微信小程序进行通信。

2.1.4 护理中心计算机监控软件的设计思路

便于工作人员远程监控病人输液数据，需要将接收到的全部数据进行解析并且进行可视化显示。计算机显示软件采用Python语言编写，使用PyQt5设计显示GUI，最后将程序打包成一个可执行软件。

2.1.5 家属用户端微信小程序的设计思路

如果陪护家属临时有事需要外出，家属需要及时了解病人的输液状态，避免输液完成无人告知，需要设计用户手机端的监控器，可实时监测病人输液的滴速是否合理，剩余时间是否充足。

2.2 系统组成

基于IoT的医院病区护理智能化监控管理系统主要由四个部分组成：上位机护理中心计算机端监控软件；家属端护理监控小程序；智能输液监控控制装置；系统的互联机制。如图1所示。

图1 系统的整体结构

2.3 交互设计

（1）输液监控装置上的OLED显示屏：当这个输液装置未使用时，屏幕将显示“等待输液”提示信息，当该装置正在进行输液工作时，屏幕将显示当前输液预计剩余时间，便于和患者本人之间简单交互。

（2）病房总控制器上的LCD屏幕：该屏幕将显示该病房所有患者的输液状态信息，并且可进行交互进行一键呼叫护士。

（3）护理中心计算机端的监控软件显示器：该交互方式用于工作人员远程监控医院病区所有病人的输液状态，当病人出现突发情况或者是输液即将完成时，将发出提示告警信号。

（4）家属端微信小程序：只需在微信搜索“护理监控”即可打开小程序并与系统连接，查看患者的输液状态。

3 管理系统的下位机设计

3.1 病床输液监控控制装置

病床输液监控控制装置技术架构如图2所示。

图2 病床输液监控控制装置技术架构

该部分的作用是测量输液过程中的剩余余量、输液状态、告警信息、环境温度、输液速度、心率信息等数据，并将这些数据压缩成JSON格式的数据，并通过NRF24L01无线传输技术发送给该装置所在病房的总控制器，汇总数据被用于数据可视化管理。

病床输液监控控制装置软件流程图如图3所示。

图3 病床输液监控控制装置软件流程图

3.2 病床输液监控控制装置

病房总控制器的技术架构如图4所示。

图4 病房总控制器技术架构图

该部分可以实现通过LCD液晶触摸显示屏的GUI界面实时查看当前病房每个输液装置的静脉输液相关数据，并实现药物的识别、一键呼叫功能、语音告警提示等功能。

病房总控制器软件流程图如图5所示。

图5 病房总控制器软件流程图

3.3 护理中心专用数据接收器

护理中心专用数据接收器技术架构图如图6所示。

图6 护理中心专用数据接收器技术架构图

利用Wi-Fi、LoRa无线传输技术与TTL串口进行组网传输，LoRa无线技术与病房总控制器进行数据交换，Wi-Fi无线技术与OneNET平台进行数据交互，TTL串口通信与计算机端进行数据交换，实现手机端、计算机端实时查看静脉输液相关数据，以及对各部分的控制指令进行推送等功能，并且实现手机一键呼叫护士功能。

护理中心专用数据接收器软件流程图如图7所示。

图7 护理中心专用数据接收器软件流程图

4 管理系统的上位机设计

4.1 护理中心监控软件

护理中心监控软件实现流程图如图8所示。

图8 护理中心监控软件实现流程图

该程序使用Python+PyQT5进行开发，利用串口接收处理护理中心专用数据接收器推送的消息。当程序运行时，用户选择串口打开后即可开始处理护理中心专用数据接收器推送的消息，完成处理后保存相关变量，如果接收到的是传感器相关的变量数据，通过定时器将新变量刷新显示到可视化界面；如果接收到的是请求更新网络时间的命令数据，通过串口发送当前网络时间到护理中心专用数据接收器然后转发到命令请求端；如果接收到的是二维码内容读取命令，将访问本地二维码数据库读取相关二维码种类及其规格，按照录入时间顺序，将最新录入的结果发送到命令请求端；如果接收到的是告警提示命令，软件将开启线程，通过TTS转换，播放语音提醒。

4.2 微信小程序

微信小程序实现流程图如图9所示。

图9 微信小程序实现流程图

当用户打开小程序时，显示的第一个界面就是选择病人所在床位的界面，当家属选择好病床号点击下一步时，小程序就会把用户选择的病床号上传到MQTT对应的主题上，然后单片机订阅相应的主题就可以获取用户选择的病床号，单片机就可以将此病床的输液信息上传到用户的手机端。当用户下发一键呼叫指令时，按照同样的思路将指令发送给护理中心数据接收器，然后通过串口将指令发送到计算机软件解析，开启线程，通过TTS转换，播放语音提醒。

4.3 数据库管理系统

计算机端的药瓶信息数据库管理系统软件实现流程图如图10所示。

图10 药瓶信息数据库管理系统软件实现流程图

该程序采用Python、PyQT5和OpenCV2三种技术进行设计。当医院需要将新药瓶录入数据库时，打开该软件，将药瓶放置于摄像头下。当程序运行时，系统将摄像头获取的图像信息进行灰度、二值化处理之后识别药瓶下的条形码数据，识别成功之后将条形码数据显示在软件界面上，核对条形码数据无误后，将药瓶信息填写到对应的数据框中，点击录入按键即可将药瓶信息保存到本地数据库。

5 系统的调试与测试

5.1 无线传输性能分析

在本系统的运行测试过程中发现系统在无线数据交互过程中，当设备传输数据的时间间隔较短的时，无线通信模块发送端出现缓存溢出和接收端接收缓存溢出等问题时会导致堵塞现象。经过修改软件定时发送时间并加入自定义协议后解决了发送接收堵塞问题，真正实现了数据的可靠传输。

经过反复测试和调整后，系统能进行长时间无堵塞、无丢包地收发数据，系统的无线通信功能正常。

5.2 滴速控制统计

通过滴速控制统计测试得到表1数据，对该滴速控制机械装置测试可达10级不同滴速。该系统所实现的滴速完全满足儿童或成年人健康输液滴速标准，该功能测试结果正常。

表1 多级滴速对应的点滴滴速表

5.3 系统实物图

图11 系统实物图

6 结束语

该系统能够提供较为完整的功能，可以较好地完善输液工作。对于输液患者而言，他们可以得到更好的照顾，增加了输液的安全性，提高了他们的输液满意度；对于护士而言，可以降低他们的工作压力，高效率地利用工作时间投入护理工作。