论文部分内容阅读
摘要：疫情常态化背景下，患者临床信息采集工作量大增，医疗系统服务面临巨大压力。物联网能将孤立的个体连接，实现物物相连，在云端进行远程管理与控制。物联网技术以其在信息采集与传输领域的巨大优势，成为缓解压力的首选方案。为此，本文设计了一种基于RFID和WiFi技术的医疗物联网传感终端，选用STM32单片机作为控制核心，以血压数据为例，可实现患者身份信息采集和血压数据的采集与上传。经测试验证，达到了预期的效果，对于提升医护人员工作效率，优化老百姓的就医体验，实现医护患数据互联互通，助推智慧医院建设等方面有着积极的意义。
关键词：ESP8266;医疗物联网;RFID;STM32
引言：
随着技术的进步和社会的发展，社会生活质量不断提升，人民美好生活需要日益增长，在医疗卫生服务领域的需求，尤为迫切。然而快速的城市化进程，使得公共服务面临巨大压力，特别是在疫情常态化背景下，现阶段的医疗系统不堪重负。在民众眼中，就医体验下降，医疗服务体系的服务质量逐年下滑。主要原因在于患者临床生理参数（如体温、血压、脉搏、呼吸等）采集和记录，大多以手工和半自动化方式为主，效率低下;在病患数量增大时，信息实时采集的需求无法得到满足，服务质量大打折扣。物联网技术为解决上述问题带来了希望，物联网融合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术、网络技术等，可以将各种不同形态的“物”接入到网络，实现不同数据的采集、远程传输和智能化控制，在智慧医院建设中具有广阔的应用前景。本文将选择临床血压采集为例，结合嵌入式、RFID、WiFi等物联网关键技术，将患者身份识别、血压采集与数据无线传输等功能整合为一体，初步构建智能医疗物联网的应用模式。
1 终端节点系统框架
物联网技术与医学临床应用的结合，必须要以信息采集和传输的实际需求为切入点。在本系统中，血压计作为医疗物联网终端节点，具备数据信息采集与通信功能，这里的数据信息包含患者的身份信息以及临床血压数据信息。在使用中，血压计首先采集就诊标签中的患者个人信息，利用传感器采集患者血压数据，再通过WiFi技术连接网络，将患者个人信息与血压数据绑定，发送到服务器;借助专业应用软件，可进一步将数据保存至医院的数据库系统。系统框架如图1所示。
1.1 RFID信息采集
患者的临床生理数据的采集，必须与患者个人身份信息捆绑匹配。在当前的医疗服务系统中，患者身份信息通常通过使用医保卡、诊疗卡等进行识别。采用RFID技术，在临床数据采集的同时，实时采集标签信息，可以一定范围内避免造成患者与生理参数匹配错误。
Mifare S50标签是目前诊疗卡、腕带等常用的非接触式IC卡，还广泛应用于交通、门禁、校园一卡通等多个领域。每张卡片上唯一的号码ID以及多重认证机制让系统远离安全威胁。
本文采用STM32单片机作为主控芯片，PN532作为RFID读写芯片，工作于MIFARE读写器模式。它们之间的接口如图2所示。
1.2 血压采集电路
本文采用的压力传感器型号为MPS20N004D-S。考虑到血压计对抗干扰性能、处理与传输速度的要求，后端采用专用24位ADC芯片HX711实现放大、稳压以及AD转换功能。
HX711可实现差分输入，片内集成稳压电源、低噪声可选放大器、片内时钟震荡器等外围电路，与后端实现简单串口通讯集成度高，响应速度快，抗干扰性强。
1.3 基于ESP8266的WiFi接入设计
WIFI模块选择ESP8266模块，该模块的处理器为乐鑫公司研发的专用于物联网的一款芯片。用户可借助该模块为医用物联网终端节点添加联网功能，通過院内无线路由器接入互联网，实现节点采集信息的上传。
该模块采用串口与主控芯片通信，接口如图3所示。在本设计中，模块工作于STA（终端）模式，血压计节点将借助WiFi模块接入院内无线网络，患者信息和血压数据将自动上传到医院信息系统的服务器中，自动转录到各类护理记录数据库中，通过系统的大数据分析可生成各种信息图表，对患者异常情况进行预警，并辅助医生的相关决策。
2 驱动程序设计
STM32作为本终端节点的主控芯片，控制软件部分主要由RFID读取模块、压力传感器读取、OLED 显示、WIFI模块联网、外围设备控制几个程序模块组成。程序开始后先要对各个模块进行初始化，然后进入RFID标签监测控制程序，实时监测对患者数据的采集需求，系统监测和控制部分程序流程图如图 4 所示。
为降低功耗，在参数测量期间，WiFi模块没有供电。数据测量完成后，STM32启动WIFI通信，实现加网、数据发送等服务。
服务器在接收数据源之后，会自动对患者的信息进行格式化处理，将其统计到数据库档案内，并同步到服务器中，而服务器也会提示确认或者是发出操作指令，满足特殊情况下的信息处理需求。
要发送的信息包括生理参数类型、生理参数数据、患者信息。考虑到系统的可拓展性，设计生理参数类型包括血压（01）、体温（02）、血氧（03）、脉搏（04）、心电数据（05）等。数据帧基本格式如下：
其中，起始符占用2Byte（0xaa，0xaa），结束符为2Byte（0x55，0x55），患者ID即为RFID标签的32bit唯一ID号码，占用4Byte。
3 系统测试
3.1系统功能测试
首先是RFID腕带扫描与血压采集实验，在这里操作人员需要把腕带放到数据采集终端的有效区域内，等到系统初始化结束之后，对腕带进行读取，然后在OLED上打印出标签认证信息，这样一来，读写芯片再经过初始化，扫描，读取等步骤之后就可以完全展示出腕带内部的数据[2]。
其次是WiFi传输测试，先发布命令，让终端先搜索当下网络中的信号，然后显示到串口调试助手上，并加入已经设置好的网络，这样可以成功加入指定的信息。
3.2 系统功耗测试
测试方法：利用万用表测试不同工作模式下的工作电流，结合工作电压，万用表表笔连接到电流档，并串联到电路中，针对不同的工作模式，对电流进行测试，并观察测量的结果。
4 结束语
本文提出一种基于 ESP8266 模块的医疗物联网血压采集终端节点系统，经测试，本节点可以迅速完成患者标签检测、读取以及显示，并能够采集患者血压信号，借助 Wi-Fi 模块，可将患者信息及血压信息发送至互联网服务器。在医院医疗物联网中，本节点稍加改动，便可实现多种生理参数采集终端，能够自动完成常见的生理参数采集、记录、上传等工作，大大提高医务人员的工作效率。未来，在家庭医疗系统、养老监护系统中也可得到广泛的应用，成为应对医疗资源紧张、人口老龄化等问题的解决对策。
参考文献：
[1]刘金海.基于Wi-Fi通讯技术的智能化疗养院监护系统研究[J].信息系统工程，2019，000（006）：35-36.
[2]周建伟，张玲玲.关于Wi-Fi智能护理物联网的关键技术研究[J].计算机产品与流通，2018（03）：88.
作者简介：姜源（1982.08-），女，汉族，江苏如皋人，硕士，讲师，研究方向：物联网应用、嵌入式控制;
基金项目：广东省2017年度青年创新人才类项目“基于物联网和大数据技术的珠海白蕉海鲈智能养殖系统研制”（项目编号：2017GkQNCX071）
关键词：ESP8266;医疗物联网;RFID;STM32
引言：
随着技术的进步和社会的发展，社会生活质量不断提升，人民美好生活需要日益增长，在医疗卫生服务领域的需求，尤为迫切。然而快速的城市化进程，使得公共服务面临巨大压力，特别是在疫情常态化背景下，现阶段的医疗系统不堪重负。在民众眼中，就医体验下降，医疗服务体系的服务质量逐年下滑。主要原因在于患者临床生理参数（如体温、血压、脉搏、呼吸等）采集和记录，大多以手工和半自动化方式为主，效率低下;在病患数量增大时，信息实时采集的需求无法得到满足，服务质量大打折扣。物联网技术为解决上述问题带来了希望，物联网融合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术、网络技术等，可以将各种不同形态的“物”接入到网络，实现不同数据的采集、远程传输和智能化控制，在智慧医院建设中具有广阔的应用前景。本文将选择临床血压采集为例，结合嵌入式、RFID、WiFi等物联网关键技术，将患者身份识别、血压采集与数据无线传输等功能整合为一体，初步构建智能医疗物联网的应用模式。
1 终端节点系统框架
物联网技术与医学临床应用的结合，必须要以信息采集和传输的实际需求为切入点。在本系统中，血压计作为医疗物联网终端节点，具备数据信息采集与通信功能，这里的数据信息包含患者的身份信息以及临床血压数据信息。在使用中，血压计首先采集就诊标签中的患者个人信息，利用传感器采集患者血压数据，再通过WiFi技术连接网络，将患者个人信息与血压数据绑定，发送到服务器;借助专业应用软件，可进一步将数据保存至医院的数据库系统。系统框架如图1所示。
1.1 RFID信息采集
患者的临床生理数据的采集，必须与患者个人身份信息捆绑匹配。在当前的医疗服务系统中，患者身份信息通常通过使用医保卡、诊疗卡等进行识别。采用RFID技术，在临床数据采集的同时，实时采集标签信息，可以一定范围内避免造成患者与生理参数匹配错误。
Mifare S50标签是目前诊疗卡、腕带等常用的非接触式IC卡，还广泛应用于交通、门禁、校园一卡通等多个领域。每张卡片上唯一的号码ID以及多重认证机制让系统远离安全威胁。
本文采用STM32单片机作为主控芯片，PN532作为RFID读写芯片，工作于MIFARE读写器模式。它们之间的接口如图2所示。
1.2 血压采集电路
本文采用的压力传感器型号为MPS20N004D-S。考虑到血压计对抗干扰性能、处理与传输速度的要求，后端采用专用24位ADC芯片HX711实现放大、稳压以及AD转换功能。
HX711可实现差分输入，片内集成稳压电源、低噪声可选放大器、片内时钟震荡器等外围电路，与后端实现简单串口通讯集成度高，响应速度快，抗干扰性强。
1.3 基于ESP8266的WiFi接入设计
WIFI模块选择ESP8266模块，该模块的处理器为乐鑫公司研发的专用于物联网的一款芯片。用户可借助该模块为医用物联网终端节点添加联网功能，通過院内无线路由器接入互联网，实现节点采集信息的上传。
该模块采用串口与主控芯片通信，接口如图3所示。在本设计中，模块工作于STA（终端）模式，血压计节点将借助WiFi模块接入院内无线网络，患者信息和血压数据将自动上传到医院信息系统的服务器中，自动转录到各类护理记录数据库中，通过系统的大数据分析可生成各种信息图表，对患者异常情况进行预警，并辅助医生的相关决策。
2 驱动程序设计
STM32作为本终端节点的主控芯片，控制软件部分主要由RFID读取模块、压力传感器读取、OLED 显示、WIFI模块联网、外围设备控制几个程序模块组成。程序开始后先要对各个模块进行初始化，然后进入RFID标签监测控制程序，实时监测对患者数据的采集需求，系统监测和控制部分程序流程图如图 4 所示。
为降低功耗，在参数测量期间，WiFi模块没有供电。数据测量完成后，STM32启动WIFI通信，实现加网、数据发送等服务。
服务器在接收数据源之后，会自动对患者的信息进行格式化处理，将其统计到数据库档案内，并同步到服务器中，而服务器也会提示确认或者是发出操作指令，满足特殊情况下的信息处理需求。
要发送的信息包括生理参数类型、生理参数数据、患者信息。考虑到系统的可拓展性，设计生理参数类型包括血压（01）、体温（02）、血氧（03）、脉搏（04）、心电数据（05）等。数据帧基本格式如下：
其中，起始符占用2Byte（0xaa，0xaa），结束符为2Byte（0x55，0x55），患者ID即为RFID标签的32bit唯一ID号码，占用4Byte。
3 系统测试
3.1系统功能测试
首先是RFID腕带扫描与血压采集实验，在这里操作人员需要把腕带放到数据采集终端的有效区域内，等到系统初始化结束之后，对腕带进行读取，然后在OLED上打印出标签认证信息，这样一来，读写芯片再经过初始化，扫描，读取等步骤之后就可以完全展示出腕带内部的数据[2]。
其次是WiFi传输测试，先发布命令，让终端先搜索当下网络中的信号，然后显示到串口调试助手上，并加入已经设置好的网络，这样可以成功加入指定的信息。
3.2 系统功耗测试
测试方法：利用万用表测试不同工作模式下的工作电流，结合工作电压，万用表表笔连接到电流档，并串联到电路中，针对不同的工作模式，对电流进行测试，并观察测量的结果。
4 结束语
本文提出一种基于 ESP8266 模块的医疗物联网血压采集终端节点系统，经测试，本节点可以迅速完成患者标签检测、读取以及显示，并能够采集患者血压信号，借助 Wi-Fi 模块，可将患者信息及血压信息发送至互联网服务器。在医院医疗物联网中，本节点稍加改动，便可实现多种生理参数采集终端，能够自动完成常见的生理参数采集、记录、上传等工作，大大提高医务人员的工作效率。未来，在家庭医疗系统、养老监护系统中也可得到广泛的应用，成为应对医疗资源紧张、人口老龄化等问题的解决对策。
参考文献：
[1]刘金海.基于Wi-Fi通讯技术的智能化疗养院监护系统研究[J].信息系统工程，2019，000（006）：35-36.
[2]周建伟，张玲玲.关于Wi-Fi智能护理物联网的关键技术研究[J].计算机产品与流通，2018（03）：88.
作者简介：姜源（1982.08-），女，汉族，江苏如皋人，硕士，讲师，研究方向：物联网应用、嵌入式控制;
基金项目：广东省2017年度青年创新人才类项目“基于物联网和大数据技术的珠海白蕉海鲈智能养殖系统研制”（项目编号：2017GkQNCX071）