王文豐，彭敦陸，顧 楠

1 上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海市，200093

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)研制

【作 者】王文豐1,2，彭敦陸1，顧 楠2

1 上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海市，200093

2 上海市醫(yī)療器械檢測所，上海市，201318

物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)較為新興的產(chǎn)物，越來越多地融入了我們的生活中。該文以嬰兒培養(yǎng)箱為示例，介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于降低醫(yī)療器械的使用風(fēng)險(xiǎn)，并通過動(dòng)態(tài)管理提高管理的水平和使用的效率，提出了醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)的一種思路。并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及傳感器的技術(shù)與特點(diǎn)，找出嬰兒培養(yǎng)箱在管理、使用中的實(shí)際需求。對(duì)于醫(yī)療設(shè)備可動(dòng)態(tài)進(jìn)行管理，利用傳感器對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)加以控制，以滿足醫(yī)院和患者多個(gè)方面的要求。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；Zigbee；無線傳感；嬰兒培養(yǎng)箱；動(dòng)態(tài)管理

0 引言

醫(yī)療衛(wèi)生是關(guān)系到國計(jì)民生的重大問題。近年來醫(yī)療器械故障引發(fā)的多起不良事件引起了多方的關(guān)注，例如嬰兒培養(yǎng)箱溫度失控、報(bào)警失靈等可能導(dǎo)致人體傷害等事件。其中的嬰兒培養(yǎng)箱溫度失控事件也屢次成為熱門話題。根據(jù)國家藥品不良反應(yīng)監(jiān)測中心數(shù)據(jù)顯示，自2002年1月至2011年10月，國家藥品不良反應(yīng)監(jiān)測中心共收到有關(guān)嬰兒培養(yǎng)箱的可疑醫(yī)療器械不良事件報(bào)告332份[1]。

隨著科技和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，如何降低醫(yī)療器械的使用風(fēng)險(xiǎn)成為了亟待解決的問題，這使得物聯(lián)網(wǎng)受到了極大的關(guān)注。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)學(xué)改變傳統(tǒng)醫(yī)療管理模式，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備可動(dòng)態(tài)進(jìn)行管理，利用傳感器對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)加以控制。可見物聯(lián)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)對(duì)國民生活水平的提高和疾病治療具有重大的意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)介紹

本文研究了醫(yī)療設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、客戶終端平臺(tái)和設(shè)備局域網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IOT)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”[2]，在醫(yī)療器械適用范圍廣泛的今天，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于醫(yī)院急診室的無線監(jiān)控，幫助醫(yī)護(hù)人員做好實(shí)時(shí)的處理工作。開發(fā)研究的硬件是Intel Edison，軟件是Yocoto project定制的Linux，傳感器無線互聯(lián)使用ZigBee，硬件配合軟件實(shí)現(xiàn)記錄和報(bào)警功能。系統(tǒng)的應(yīng)用具有廣泛的擴(kuò)展性，適用于各個(gè)醫(yī)療器械，如：嬰兒培養(yǎng)箱、門診的輸液、臨床的護(hù)理、智能心音等等。此系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)分配設(shè)施使用、自動(dòng)記錄和超過閾值時(shí)遠(yuǎn)程報(bào)警等功能，并且通過移動(dòng)終端為醫(yī)護(hù)人員提供協(xié)助服務(wù)。其通過無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、快速的數(shù)據(jù)交互，不僅能降低醫(yī)療器械使用的風(fēng)險(xiǎn)，還提高醫(yī)療設(shè)備的使用效率。

2 醫(yī)療器械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

本文建立了一個(gè)小型的物聯(lián)平臺(tái)如圖1所示，并通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)推送各個(gè)傳感器的信息。同時(shí)通過廣域網(wǎng)的軟件來做到簡單控制。各個(gè)無線傳感器通訊節(jié)點(diǎn)之間的信息交互采用國際通用的通訊協(xié)議，即各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，如監(jiān)測嬰兒培養(yǎng)箱的紅外傳感器、溫濕度傳感器等，將采集的信息通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳到系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)而由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行智能化的處理后分類記錄及按實(shí)際需求推送到各個(gè)終端。本研究主要目的是探索揭示物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)特征，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)解析理論和軟件物化方法[3]，采用物聯(lián)網(wǎng)共性支撐技術(shù)和方法，建立物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行支撐平臺(tái)原型、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驗(yàn)證系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 System overall frame chart

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)施的方案是采用Intel公司開發(fā)的代號(hào)：Edison的主板，安裝Yocoto Linux的嵌入式系統(tǒng)，利用無線技術(shù)鏈接各個(gè)傳感器，智能節(jié)點(diǎn)的無線射頻采用藍(lán)牙技術(shù)，芯片為德州儀器的CC2540。通過Edison主板自帶的WiFi與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊。

3.1 醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)平臺(tái)數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計(jì)

Intel Edsion的基本結(jié)構(gòu)由一顆主頻500 MHz的雙核Intel Atom CPU作為核心處理單元，同時(shí)CPU內(nèi)一體封裝了1 GB的DDR3內(nèi)存作為緩存單元。作為整個(gè)物聯(lián)平臺(tái)的核心。英特爾?Edison包含核心系統(tǒng)處理和連接單元，其包括處理器和處理器電源管理IC、內(nèi)存、TF、WiFi 、藍(lán)牙，英特爾?Edison是作為一個(gè)模塊通過一個(gè)70針連接器與最終用戶的系統(tǒng)進(jìn)行接口的對(duì)接。

3.2 醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)平臺(tái)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施

如圖2所示該系統(tǒng)包括四部分：推送服務(wù)器、英特爾?Edison 主板網(wǎng)關(guān)、手機(jī)和 ZigBee傳感器。該系統(tǒng)有三大主要功能：

（1）情況監(jiān)測和判斷。ZigBee傳感器可通過光傳感器和紅外線傳感器監(jiān)測嬰兒培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)情況，并使用ZigBee協(xié)議將該信息發(fā)送至英特爾?Edison主板。英特爾?Edison 主板可判斷培養(yǎng)箱內(nèi)是否有嬰兒，最終通過 WiFi將狀態(tài)發(fā)送至推送服務(wù)器。

（2）嬰兒培養(yǎng)箱預(yù)定和智能報(bào)警。護(hù)理人員可選擇智能手機(jī) Android 應(yīng)用上狀態(tài)顯示為“閑置”的嬰兒培養(yǎng)箱。如果沒有合適的閑置嬰兒培養(yǎng)箱，可以選擇一個(gè)狀態(tài)為“占用”的嬰兒培養(yǎng)箱，然后等待該嬰兒培養(yǎng)箱閑置。當(dāng)英特爾?Edison 主板判斷選定的嬰兒培養(yǎng)箱為“閑置”時(shí)，將同步傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器也將隨即向應(yīng)用發(fā)送通知，護(hù)理人員可以第一時(shí)間知悉，從而提高嬰兒培養(yǎng)箱的使用率。另外，為全面監(jiān)控嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)正常與否，確保嬰兒的生命安全，一旦節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，服務(wù)器將即時(shí)推送報(bào)警到值班人員的手機(jī)應(yīng)用，避免不良事件的發(fā)生。

（3）遠(yuǎn)程訪問和控制。應(yīng)用可通過 WiFi 從推送服務(wù)器上查詢所預(yù)定的嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)，以獲取ZigBee 傳感器（如氣體值、溫濕度、震動(dòng)和噪聲）的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.3 物聯(lián)平臺(tái)的通訊模塊

建立在線纜連接基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)系統(tǒng)方案往往成本高、體積大、不便于攜帶，比較適合醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)病房的急危重病人的監(jiān)測[4]，然而對(duì)于嬰兒培養(yǎng)箱并不適用。所以本次設(shè)計(jì)的通信采用無線連接，通訊模塊采用英特爾?Edison主板集成的博通公司BCM43340模塊，模塊兼顧了安全性與兼容性。與各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的連接則采用ZigBee的通信模塊。其創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)產(chǎn)生功耗較低，其認(rèn)證設(shè)備必須具備最少兩年的電池續(xù)航時(shí)間。

3.4 物聯(lián)平臺(tái)的供電模塊

考慮到物聯(lián)平臺(tái)的廣泛適用性，設(shè)計(jì)的平臺(tái)采用直流供電加電池供電的組合模式，輸入的電壓范圍3.15 V~4.5 V。

圖2 硬件基礎(chǔ)設(shè)施Fig.2 Hardware infrastructure

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于新生兒專科醫(yī)院或者三甲醫(yī)院而言，每天都有大量新生兒需使用嬰兒培養(yǎng)箱。若要提高早產(chǎn)兒的存活率，嬰兒培養(yǎng)箱是否能夠高效地被使用是至關(guān)重要的。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，醫(yī)護(hù)人員在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都能通過直觀的物聯(lián)平臺(tái)掌握嬰兒培養(yǎng)箱的實(shí)時(shí)情況。從而及時(shí)地調(diào)度，充分利用有限的設(shè)備資源，便于及時(shí)消毒和投入使用。本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化監(jiān)控，對(duì)于加強(qiáng)醫(yī)院的儀器設(shè)備的使用與管理及新生兒健康保障意義重大。整體軟件架構(gòu)見圖3。

圖3 軟件架構(gòu)Fig.3 Software architecture

4.2 終端的通訊軟件部分

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嬰兒培養(yǎng)箱監(jiān)控系統(tǒng)將GlassFish Server 4.0 部署為推送服務(wù)器。 該推送服務(wù)器的架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 推送服務(wù)器架構(gòu)Fig.4 Push server architecture

4.3 軟件工作流

應(yīng)用服務(wù)器的系統(tǒng)圖，如圖5所示。該系統(tǒng)使用ZigBee傳感器來檢測嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)。英特爾?Edison 主板檢測到狀態(tài)變化后，將會(huì)通知服務(wù)器其狀態(tài)為“閑置”還是“占用”。服務(wù)器將更改數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)的嬰兒培養(yǎng)箱狀態(tài)，并將狀態(tài)消息推送到智能手機(jī)的Android應(yīng)用上，以便醫(yī)院進(jìn)行重新合理分配。

圖5 推送服務(wù)器的系統(tǒng)工作流Fig.5 System workf l ow for push server

5 Edison ZigBee 系統(tǒng)

5.1 ZigBee軟件架構(gòu)

英特爾?Edison 主板和 XBee 協(xié)調(diào)器之間的接口在Arduino中模擬為串行接口，運(yùn)行在英特爾?Edison主板上的應(yīng)用被用作 ZigBee 網(wǎng)關(guān)。通過網(wǎng)關(guān)向ZigBee 傳感器發(fā)送命令和接收響應(yīng)。ZigBee 協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)將傳感器報(bào)告的值傳輸至推送服務(wù)器。

5.2 ZigBee 堆棧設(shè)計(jì)

本文在 Arduino 內(nèi)設(shè)計(jì)并實(shí)施了一款簡單的ZigBee 堆棧，可與 ZigBee 傳感器一起實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量和操作。它可在協(xié)調(diào)器模式下控制和管理光傳感器、紅外線傳感器、溫濕度傳感器、震動(dòng)傳感器、噪聲傳感器和報(bào)警器傳感器。

表1 ZigBee 堆棧設(shè)計(jì)類Tab.1 Stack class for Zigbee

6 手機(jī)端（Android）應(yīng)用

安卓應(yīng)用系統(tǒng)圖見圖6，用戶打開該應(yīng)用后，可選擇需求一臺(tái)可用嬰兒培養(yǎng)箱，也可選擇管理現(xiàn)有的嬰兒培養(yǎng)箱（或更改現(xiàn)有嬰兒培養(yǎng)箱的狀態(tài)）。當(dāng)需求一臺(tái)可用培養(yǎng)箱時(shí)，用戶通過選擇使用時(shí)間段和病房地點(diǎn)搜索某個(gè)嬰兒培養(yǎng)箱。 若嬰兒培養(yǎng)箱閑置，護(hù)理人員可以直接預(yù)訂該嬰兒培養(yǎng)箱。若嬰兒培養(yǎng)箱被占用，用戶可以選擇查看該培養(yǎng)箱的狀態(tài)，其中包括各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)所有培養(yǎng)箱都被占用時(shí)，護(hù)理人員可按需求預(yù)定，一旦 ZigBee傳感器在指定時(shí)間內(nèi)檢測到閑置的嬰兒培養(yǎng)箱，推送服務(wù)器將會(huì)第一時(shí)間向HIS系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)送通知，接收到通知的用戶便可成功預(yù)定。

圖6 安卓應(yīng)用系統(tǒng)圖Fig.6 Android application system diagram

7 結(jié)論

本文通過軟硬件的設(shè)計(jì)，研制了一套成本可控，擴(kuò)展性強(qiáng)的物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)，可提高產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)可控度和市場競爭力，降低使用的風(fēng)險(xiǎn)，適合推廣至嬰兒培養(yǎng)箱。近年來，我國的醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）建設(shè)模式隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的變化也在不斷演變[5]，此次設(shè)計(jì)可以較好地滿足多方位的需求，但同時(shí)該系統(tǒng)在堆棧和 HIS系統(tǒng)方面仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，如堆棧和 HIS系統(tǒng)的功能和 API 較少，系統(tǒng)較不穩(wěn)定等。未來可嘗試進(jìn)一步的改進(jìn)，降低生產(chǎn)成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性或增加產(chǎn)品的功能，如對(duì)新生兒父母提供手機(jī)端的實(shí)時(shí)視頻觀看、嬰兒體位感知等人性化功能。

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Development of Monitoring System for Infant Incubator Based on IOT Technology

【Key words 】WANG Wenfeng1,2, PENG Dunlu1, GU Nan2
1 School of Optical-electrial and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093
2 Shanghai Testing and Inspection Institute for Medical Devices, Shanghai, 201318

IOT technology, Zigbee, wireless sensor, infant incubator, dynamic management

R197.39

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.03.007

1671-7104(2017)03-0181-04

2017-02-28

王文豐，E-mail: 188870716@qq.com

顧楠，E-mail: gn352115@126.com

【 Abstract 】IOT(Internet of things）is a relatively new technology, more and more integrated into our lives. In this paper we use infant incubator for example, introduce the application of IOT technology to reduce the risk of the use of medical devices, and through the dynamic management to improve the management level and ef fi ciency. Put forward a method of medical equipment linked. Combined with the point of IOT technology and sensor technology, we fi nd out the actual needs of the management and use of infant incubator. For the dynamic management of medical equipment, we use sensors to control risk points. The system meets the needs of the hospital and patients in many areas.