基于物联网通信监测技术的智能医护工作站系统的设计与实现＊

张丽媛

（西安铁路职业技术学院机电工程学院，陕西 西安710026）

据调研，中国医院护士与患者的比例为2∶5，伴随2020年新冠疫情的爆发和2021年局部地区的多发，各地医患比例严重失调[1]。医护人员的工作量增大且容易受到感染。为了避免交叉感染，减少医护人员的工作量[2]，亟待开发一种基于物联网的智能医护站来远程监测患者生理数据。

目前医院普遍采用的病人生理数据监测系统大都是较大型的拖线设备、病人监护仪、电子体温计、鱼跃指甲式血氧仪、南格智能护理呼叫信息系统等[3-4]。这类医疗设备大多结构简单、使用便捷。但是缺存在缺陷：病人监护仪、南格智能护理呼叫系统虽然检测项目全，但价格昂贵，不能无线传输，必须与病人近距离接触，无法避免医患间的交叉感染；鱼跃血氧仪、电子体温计价格便宜，但功能单一，医护人员不能全面了解病人身体情况，无法与病人实时沟通。

基于此背景，本文设计了一种基于物联网通讯监测技术的智能医护工作站。该产品具有语音提示和对讲功能，患者可根据医生提示进行血氧饱和度、心率、体温等生理参数测量，医生可实时查看患者的生理数据。同时数据传输范围大且采集方便，实时性强。核心控制单元来实现分为步数采集、心率采集以及温度采集。其中心率采集模块和温度采集模块采用的是MAX30102、LMT70传感器。护士接收端主要是通过显示模块采用OLED实时监测患者的生理信息[5-6]，2个端口的数据通信采用无线收发器芯片NRF24L01实现患者和医护工作。

本文的监测指标为以下目标：①监测数据类型指标。实现对病人血氧饱和度、心率、血压等生理参数的实时智能监测。②监测精度指标。监测精度数字要在小数点后2位，时间要在毫秒内。③监测系统时间响应指标。数据的转换和传送时间要在毫秒范围里，监测系统能够即时响应，即时处理数据。基本工作原理如图1所示。

图1 智能医护工作站工作原理图

1 系统总体设计

本文设计了一种基于物联网通讯监测技术的智能医护工作站。该设备的系统总体设计基于主控处理模块、通讯模块、采集模块、电源模块、显示模块。患者发送端的数据采集模块是以STM32F103C8T6作为

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要包含了语音通讯器、接收端检测数据OLED显示屏、温度检测器、血氧饱和度和心率检测器、发送端OLED显示屏[7]。语音通讯器，只需按动按钮，即可与护士远程语音通话；接收端检测数据OLED显示屏，将USB接口插到护士站电脑上即可远程读取病人心率、体温及血氧饱和度的检测数据；温度检测器，病人将手放在温度检测器上，一定时间后检测器自动将病人的体温数据传输至护士接收端处方便护士监测；血氧饱和度和心率检测器，病人将手放在血氧饱和度和心率检测器上一定时间后，检测器自动将病人的血氧饱和度及心率数据传输至护士接收端，方便护士进行监测；发送端OLED显示屏，病人可以直接在显示屏上读取自己的检测数据。具体实物如图2所示。

图2 设备实物展示

从硬件电路设计、软件编程调试、实物焊接调试3部分进行详细阐述。硬件电路主要是基于单片机STM32为核心的控制单元实现数据的处理，采用传感芯片MAX30102、LMT70、MPU6050和NRF24L01传感器对数据进行采集，转换后的数据送到单片机进行处理显示，数据显示由OLED显示屏来显示。

3 系统软件设计

系统软件设计覆盖发送端和接收端的电路原理，在患者发送端电源模块选择聚合锂电池[8]。分别输出DC3.3 V的电压供给给MAX30102、LMT70、MPU6050。聚合锂电池采用高分子材料，可在电芯里做成多层组合达到高电压。之后将数据信号传送给STM32单片机。

在医护工作者接收端由STM32单片机经过USB、TTC串口端传送给显示屏。两者之间的数据连通由NRF24L01传感器实现。除此之外还设计了滤波功能，在不同的环境下对其进行自校准功能，采集使用者信息，并存储到自定义的数组中，然后读出数据并对其处理记录。等到了需要使用者的心电信息、体表温度和运动信息时读出所储存的数据进行比较分析，实现得到使用者上述数据的功能。电路框图中发送端与接收端如图3所示。

图3 电路框图

4 测试方案与结果

4.1 测试方案

在系统测试方案中首先测试两个端口的传输距离，保证在室内50 m进行无障碍监测[9]。但在实际的应用场景中，不可能出现无障碍测试，故通过增加端口数量来保证数据的传输。为了进一步验证系统通信的稳定性、实时性及准确性，测试方案将从上位机患者发送端系统发送信号，经过各个传感器及STM32单片机的串口将数据传送至医护人员的接收端。在接收到信号之后又将数据反送回上位机。对比Apple Watch和华为运动手环，得出两者之间的误差率，看是否满足指标要求。

4.2 测试过程中的问题及解决方案

在测试过程中遇到以下3个问题：①采集到的数据是由USB数据线对单片机进行供电，当硬件搭建完成时，但采集的数据与一开始采集的数据有偏差；②硬件搭建、程序编译、数据采集及提取比较好，但在测试的时候偶尔也会出现采集数据不稳定等情况，可能是由外部环境及硬件本身的性质造成的；③步数距离与计步数据有较大波动。

针对上述问题采用如下的解决方案：①用装置中的稳压模块给单片机的供电电压进行调节，使之与USB数据线供电的电压相同。但数据还是不相同，就使用电池供电再一次进行了数据采集，替换了初始的数据。②在进行装置搭建时，选择了屏蔽线作为极板连接导线，降低外界环境对导线的干扰。③设计了自校准功能，在不同的环境下对其进行自校准功能，采集纸张信息，并存储到自定义的数组中，然后读出数据并对其处理记录，加滤波器后得到了比较精确的数值。

4.3 测试结果分析

将发送的数据与接收到的数据与Apple Watch和华为运动手环进行比较，在几次典型的测试中结果如表1所示。

表1 测试结果

由表1所显示的6次的测试结果，心率测量绝对误差小于5%，温度测量误差绝对值小于2℃，但此设备相较于标准计步设备而言，运动距离与计步误差较大。原因分析：排查后判断是因为使用了互补滤波器，随后决定使用卡尔曼滤波器。在使用卡尔曼滤波器后，根据10次的测试结果，心率测量绝对误差小于5%，温度测量误差绝对值小于2℃，运动距离记录相对误差小于10%，运动步数记录相对误差小于5%，符合技术指标要求。综上所述，在实际应用场景下，该设备可以实现通信稳定性高、准确度高、实时性高的3大优势，可以满足患者和医护端的生理参数监测的实际需求。

5 结论

本文结合实际应用现场的痛点问题，设计出了一款基于物联网通信监测技术的智能医护工作站系统。该系统从总体设计、硬件设计和软件设计3个方面实现了对患者基本生理参数的监测，通过实物制作和对比测量得出的数据符合主要的技术指标。其创新点主要有以下3个方面：①智能医护工作站能使病人自我检测，同时护士可以同步接收患者所检测的数据，并可以使数据传送至云端；②本设备使用方法简单、界面直观、时效性高，是心率、体温、血氧饱和度及无线通讯四合一的智能生理数据监测模式；③有效减少护士往返病房与工作站的频次，减少临床护理差错，有效地避免医患纠纷。综上所述，该设备具有较强的实践应用意义。