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.pdf

2023 年第 3 期(总第 92 期)西 安 轨 道 交 通 职 业 教 育 研 究Xian Rail Transit Vocational Education ResearchNo.3,2023Serial No.92收稿日期:2023-03-12作者简介:张丽媛(1991-),女,陕西延安人,西安铁路职业技术学院机电工程学院铁道车辆教研室助教。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 陕西 西安 710026)摘 要:针对新冠疫情期间为了避免交叉感染,减少医护人员的工作量的痛点问题,利用物联网通信监测技术研发一种智能医护工作站系统,可实时监测病人心率、血氧保护度和体温等生理参数,主要依托硬件电路设计、软件程序调试、实物测试等研发工作,实现病人前端数据采集与护士站实时接收数据、全面监测、无线传输和实时语音沟通等功能。关键词:通信监测;生理参数;护士工作站中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:SY010-(2023)03-0014-03Design and Implementation of an Intelligent Medical Workstation SystemBased on Internet of Things Communication Monitoring TechnologyZhang Liyuan(Xian Railway Vocational and Technical College Xian 710026,Shaanxi)Abstract:In order to avoid cross infection and reduce the workload of medical staff during the COVID-19,an in-telligent medical workstation system was developed using the Internet of Things communication monitoring technolo-gy,which can monitor the patients heart rate,blood oxygen protection degree,body temperature and other physio-logical parameters in real time.It mainly relies on hardware circuit design,software program debugging,physical testing and other research and development work to achieve the patient front-end data collection and real-time data reception of the nurse station Comprehensive monitoring,wireless transmission,and real-time voice communication functions.Key words:Communication Monitoring;Physiological Parameters;Nurse Workstation1 引言据调研,我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。2 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是基于以下五大模块: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 的传感器。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5-6,两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: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;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;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。基本工作原理图如下。图 1 智能医护工作站原理图3 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。具体实物如下图所示。图 2 设备实物展示从硬件电路设计,软件编程调试,实物焊接调试三部分进行详细阐述。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。4 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 DC3.3V 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,在不同的环境下我们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51张丽媛: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。(a)发送端(b)接收端图 1 电路框图5 测试方案与结果5.1 测试方案在系统测试方案中首先测试两个端口传输距离,保证在室内 50m 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。为了进一步的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。5.2 测试过程中的问题及解决方案在测试过程中遇到以下三个问题:(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。可能是因为外部环境及硬件本身的性质造成。(3)步数距离与计步数据的数据有较大波动。针对上述问题采用的解决方案有以下三点:(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,并且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,在不同的环境下我们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。5.3 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下。表 1 测试结果测试序号测试数据心率(次/min)步数/步距离/m温度/标准(AppleWatch)实测误差标准步数距离(华为手环)显示步数与距离结果步数与距离误差标准(测温枪)显示结果误差170734.2%502748264%3.7%36.6361内273704.2%512949273.9%6.8%36.5361内368654.4%502853296%3.5%36.6361内468663%503050280%6.6%36.8361内569701.4%522851281.9%0%36.5361内676793.9%492450282%16%36.5361内(下转第 37 页)61西安轨道交通职业教育研究考核内容直观性,便于学生快速理解工业机器人操作过程以及编程内容,能够加强其对各项内容理解程度。因此,在 1+X 证书制度内容设计中,应重视对工业机器人虚拟仿真技术应用,并加强对其研究,从而更好地发挥其作用。在进行 1+X 证书考核内容设计的过程中,借助工业机器人虚拟仿真技术,搭建用于考核的工业机器人工作站,同时配合使用虚拟配置 I/O 信号端口以及 Smart 组件,能够实现对工业机器人工作站工作情况模拟。参考文献1 凌旭,王云军,戴俊良.基于虚拟仿真技术的 1+X 证书考核内容设计 以工业机器人应用编程技能等级证书为例J.中国教育技术装备,2021,(20).2 李泽军.基于“1+X”证书制度试点的工业机器人应用编程职业证书培训体系建设的探讨J.农机使用与维修,2021,(9).3 李莹.基于 1+X 证书制度下高职艺术设计专业人才培养模式改革的探究J.今日财富(中国知识产权),2020,(12).4 瞿敏.1+X 证书制度下高职工业机器人技术专业人才培养模式探究J.湖北农机化,2021,(2).5 黄诚,黄灿军.基于 NXMCD 的工业机器人应用编程“1+X”证书实践训练的研究J.科技创新与应用,2021,(13).(责任编辑:任建国)(上接第 16 页)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,但我们的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:排查后判断是因为我们使用了互补滤波器,随后决定使用卡尔曼滤波器。在使用卡尔曼滤波器后,根据十次的测试结果,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、准确度高并且实时性高的三大优势。可以满足患者和医护端的生理参数监测的实际需求。6 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三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三个方面:(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。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。参考文献1 王宝亭.全力为医疗器械产业高质量发展保驾护航N.中国医药报,2021-04-01(001).2 彭倩,杨展,张宝凤,张利娟,唐姗钐,张辉,沈瑶.冠心病介入治疗患者静息心率控制现状及影响因素调查J.护理学杂志,2020,(24).3 黄峰,罗志坚,赵展飞,马南丞.一种智能型血氧检测仪设计与实现J.湖南工程学院学报(自然科学版),2021,(01).4 如何快速设计红外体温检测仪J.中国电子商情(基础电子),2020,(Z2).5 胡婷婷,杜毅.论医疗体制改革背景下中医护理教育发展J.辽宁中医药大学学报,2021,(04).6宋华.抑郁症就在我们身边J.现代养生,2021,(07).7 王宝亭,耿洪武.医疗器械蓝皮书M.北京:社会科学文献出版社,2020.8 詹晓芸,黄持莹,王斌,朱娟.新型 5G 红外热成像测温系统设计与实现J.电子测试,2020,(19).9 张雯,刘建中.非专业人员使用不同温度计检测儿童体温值与真实体温的相关性和误差研究J.现代医药卫生,2020,(16).(责任编辑:王风)73卢帆:基于虚拟仿真技术的 1+X 证书考核内容设计思路研究