基于LoRa无线传输技术的体温监测系统的设计

广东睿超电子科技有限公司 黄鑫

基于LoRa无线传输技术设计一款无线体温计监测系统。该系统包括体温监测终端、无线局域网、服务器、体温数据管理平台，具有测温高精度、范围全覆盖、操作符合医护人员习惯的特点。体温监测终端通过2.4G无线传输协议将温度数据上传，无线局域网通过LoRa无线桥接技术将数据传输至服务器，基于Web搭建的体温数据管理平台可以实时从服务器中获取用户体温数据，医护人员通过体温数据管理平台可以实时查看患者体温数据和温度变化情况，管理平台的报警功能可以及时对患者的异常温度进行报警提醒。该系统符合相关国家标准和医疗行业标准，可应用于医院住院部，能有效提升医护人员的工作效率。该系统同样适用于养老社区，提升养老社区特定人群的监测和管理水平。

基于433MHz频段的无线射频传输技术设计的无线可穿戴式体温监测系统，能够实现将患者体温数据传输经过体温数据传输节点上传至服务器[1]。但是在无线局域网的无线桥接过程中，基于433MHz频段的无线射频传输技术在功率一定的前提下，传输距离有限。要想将通过中继器无线桥接形成的局域网覆盖范围扩大，需要使用数量更多的中继器进行桥接。为此，我们使用传输距离更远，且具有低功耗特点的LoRa无线射频传输技术，增加单个中继器的传输距离，使得无线局域网覆盖相同的面积，但使用较少的中继器。同时，由于医院更倾向于使用基于Web的管理系统，我们对体温管理系统同样进行了优化，搭建了基于Web体温数据管理平台，符合医护人员的使用习惯，方便医护人员熟悉和使用系统。

1 系统总体设计

根据医院临床需求和医护人员的使用习惯，无线体温监测系统包括体温监测终端、无线局域网、服务器、体温数据管理平台四个部分[2]。系统总体设计如图1所示，体温监测终端可以实时获取用户体温数据，并通过2.4G无线传输协议将数据发送至无线局域网中；无线局域网包括中继器和网关，终端与中继器之间使用2.4G无线传输协议进行数据传输和交互，中继器之间的无线桥接使用LoRa无线通讯协议。所有体温数据均通过中继器桥接传输至同一个网关，网关将接收到的数据上传至服务器，并保存在服务器中。医护人员可以通过各科室的电脑登录体温数据管理平台，获取特定用户或患者的体温数据。

图1 系统总体设计Fig.1 Overall system design

升级后的无线体温监测系统可以实现医院整个院区多栋住院楼的数据统一管理。除了必要的每个房间布局中继器外，走廊和楼层的可以通过较少的中继器完成局域网的桥接。同时多栋住院大楼之间可以通过在楼顶空旷位置布置LoRa中继器完成较远距离的无线局域网扩展。因此，我们可以将系统服务器布置在医院内任意机房，或者沿用医院原有的服务器就可以实现整个医院的无线体温监测系统的服务器搭建。当用户在病房或各住院科室内佩戴上体温监测终端，体温数据就可以通过无线局域网传输至服务器，医护人员在电脑端登录体温数据管理平台即可查看患者的体温数据变化情况，及时发现患者的体温异常。

2 体温监测终端

体温监测终端由原来的8位MCU升级为32位MCU，使用了STM32系列的低功耗主控。主控MCU的升级主要的体现在运行效率、响应延时、处理计算能力、功耗等方面。从运行效率来看，当8位与32位MCU同时进行一个运算，32位的MCU可能只需要一条指令，而8位的MCU则需要多条8位的指令，这显然能提升设备的运行效率。运行效率的提升，往往就能同时提升系统的响应延时和数据处理计算能力。由于MCU并不总是全速运行，实际应用中，穿戴式终端的MCU大多数时间是处于低功耗模式，只有需要进行处理指令、计算数据的时候，MCU才从低功耗模式切换至全速运行模式，以此来降低系统功耗；32位的MCU在一次从低功耗模式切换至全速模式时，可以更快速的处理完所有指令和数据，又再次从全速模式切换回低功耗模式，使得32位的系统处于低功耗模式的时间较8位系统处理低功耗模式的时间长，以此来进一步降低系统功耗。

体温监测终端运行效率、响应速度、计算能力的提升，也进一步提升了温度采样、分析和计算的精度，升级后的终端测温精度由原来的精确到小数点后1位提升至小数点后2位。测温精度的提升能更贴近用户的真实体温变化情况，为医护人员提供更准确的温度参考值。同时，体温监测终端功耗的降低，也延长了穿戴式终端电池的使用寿命，提升了穿戴设备的体验感。

3 无线局域网

无线局域网包括中继器和网关，其中，中继器、网关之间的无线桥接使用LoRa无线传输协议，由于其单个模块的无线传输覆盖面积较大，所以更适合远距离、大面积的无线桥接和覆盖，能有效降低系统中继器的数量，降低无线局域网的布置成本。

我们选用了高稳定性的工业级LoRa无线传输模块，该模块采用SX1278主芯片实现了LoRa扩频传输；具有空中唤醒、超低接收功耗。该模块接收灵敏度高达-130dBm，空旷环境下传输距离最大可达3000m；内置有双256环形FIFO缓存，能实现发送接收数据的快速缓存；并且采用高效的循环交织纠错编码算法，提升了LoRa无线传输模块的编码效率和纠错能力。特别是在突发干扰的情况下，能主动纠正被干扰的数据包。

无线局域网的结构由树形拓扑结构组成，由一个网关和多个中继器构成，各个中继器节点可以由更多的中继器分支构成[3]。树形拓扑结构构成的网络，易于扩展和故障排查，当医院住院部根据需要进行调整时，可以通过增加或减少中继器扩大或减小无线局域网的覆盖范围。当某一中继器发生故障时，数据可以通过临近的其他中继器实现数据传输；若是关键路径上的中继器发生故障，故障排查也十分容易，能快速进行修复。因此为了避免因关键路径上的中继器发生故障导致的数据传输中断，我们在关键路径上设置了双路径，可以增加无线局域网传输能力冗余，保证数据传输的稳定性，增加无线局域网带宽。

4 服务器选择

服务器可以类比为一台高性能计算机，需要根据医院住院患者流量等信息确认服务器业务所需的硬件配置，从而搭建合适的数据管理平台。服务器的配置主要从CPU、内存、硬盘带宽等方面考虑。CPU直接决定了所配置的服务器的计算能力；内存主要存储CPU已经计算的数据和将要计算的数据，直接关系到数据运算效率；硬盘主要负责存储运行日志、源代码和数据等；带宽决定了服务器数据流入流出的速度和响应延时。

服务器的配置应充分考虑数据的大小，适当增加存储空间、运算速度、带宽的冗余，可以有效防止数据溢出而导致的不可接受的系统故障和数据丢失。

5 体温数据管理平台

体温数据管理平台是基于Web搭建而成，分为医院管理、监控管理、报警中心3个主要的板块。其中，医院管理板块主要包括医院信息、科室信息、医护人员、病房信息、病人管理、设备管理6个功能模块；监控管理板块主要包括体温监控、温度曲线2个功能模块。首次使用该平台时，需要完成医院管理板块信息的录入，依次完成医院信息、科室信息和病房信息，完善该科室医护人员名单。当有患者开始佩戴体温监测终端前，医护人员应首先在体温数据管理平台完善病人信息，为该病人设置异常温度报警阈值；并在平台上录入体温监测终端唯一识别码，为患者绑定该温度监测设备。设备绑定并正确佩戴后，医护人员可在监控管理板块的体温监控功能中查看患者的实时体温，也可以通过温度曲线功能查看患者在过去一段时间内的温度变化情况。当患者温度达到或超过医院人员预先设定的温度报警阈值时，报警中心板块会发出警报提示，通知医护人员尽快做出处理。

6 系统测试

系统测试主要包括安全测试和性能测试。安全测试主要分为发射试验和抗扰度试验；其中，发射试验主要为辐射发射试验；抗扰度试验主要包括静电放电（ESD, Electro-Static Discharge）抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验。安全测试和性能测试主要委托第三方具有相关资质的检测机构检测。

性能测试主要包括功耗、必要的产品警示标识、体温监测终端测温准确度、精确度等方面，产品的性能应符合相关标准。体温监测系统测试主要参照的标准主要为国家标准[4]：医用电子体温计国家标准GB/T 21416-2008；医药行业标准[5]：临床体温计连续测量的电子体温计性能要求YY 0705-2010。其中，在体温为25℃～45℃时，行业标准规定的连续测温最大允许误差应是±0.2℃。而在温度为37.0℃～39.0℃时，国家标准规定的最大允许误差为±0.1℃。

将体温监测终端探头至于校准过的恒温水槽中，同时使用高精度的水银温度计对比测试，测试时间为72h。测试期间，测试前30h，恒温水槽温度保持在35.3℃；测试后42h，恒温水槽温度保持在37.1℃，每间隔10h及恒温水槽温度改变前后均记录高精度水银温度计测量值，并与恒温水槽、无线体温监测系统测量值进行对比。当恒温水槽温度保持在37.1℃时，如图2所示截取部分测试数据，可以看到温度数据在37.11℃～37.12℃之间变化，与恒温水槽温度误差在0.02℃之内。经临床测试，在有效体温范围内无线体温监测系统的误差均在0.06℃之内，符合上述两个相关标准所提及的测温误差范围。

图2 温度测试数据Fig.2 Temperature test data

在功耗测试中，实测体温监测终端搜索中继器期间平均电流为3mA，瞬时电流为20mA；体温监测终端设备与中继器连接成功后，平均电流为0.4uA，体温数据采集、计算和发送瞬时电流为1mA。体温监测终端实测有效工作时间为9天，升级后的体温监测终端有效工作时长提升20%以上，能有效满足大多数患者一个住院周期内的连续体温监测。

7 总结

基于LoRa无线传输技术搭建的无线局域网能有效扩展无线体温监测系统的覆盖面，使得医院整个院区多栋住院大楼成为一个监测整体，方便服务器布置和数据管理。该系统已完成医疗器械注册检验，正在进行临床试验。截至目前，该系统运行稳定，用户反馈信息良好。从反馈信息可以得知该系统能有效减少医护人员对患者进行体温数据监测的工作量，提升医护人员的工作效率，体温数据管理平台符合医护人员的使用习惯，系统整体符合临床实际应用需求。该系统也同步在养老社区推广试用，接下来将针对性地对养老社区的特定需求进行改良，尽可能地符合养老社区特定人群的使用习惯，满足养老社区应用场景，提升养老社区对特定人群的监测和管理水平。

引用

[1]黄二亮,卜祥磊,谢卫华,等.基于无线技术的住院患者体温监测系统的设计[J].生物医学工程研究,2019,38(2):247-251.

[2]熊强强,尹建平,曾美琳,等.一种基于Lora无线局域网的智能型医用点滴监护系统设计与实现[J].电子测量技术,2021,44(2):10-14.[3]唐山.基于LoRaWan的广域物联网技术研究及实现[D].成都:电子科技大学,2018.

[4]国家食品药品监督管理局.GB/T 21416-2008.医用电子体温计[S].

[5]国家食品药品监督管理局.YY 0785-2010.临床体温计连续测量的电子体温计性能要求[S].