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)