【作 者】陳蓓蓓，盧路瑤

溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院，溫州醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，溫州市，325000

0 引言

在傳統(tǒng)醫(yī)院病房中，受傷較重的病人大多需要他人的陪同照料，但不是所有的家庭都能負(fù)擔(dān)起護(hù)工的費用，或是長期不工作帶來的損失[1]；對于一些特殊的住院病人需要一些機(jī)器輔助治療，而操作設(shè)備的醫(yī)護(hù)人員人數(shù)有限，病患較多，常常導(dǎo)致不能及時撤下醫(yī)療設(shè)備。為克服或者改善這種情況，使病患和醫(yī)護(hù)人員都能省時省力解決問題，設(shè)計了智能護(hù)理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)護(hù)士在手機(jī)上就能看到哪位病人已經(jīng)做完診療，快速、準(zhǔn)確找到對應(yīng)的患者，為其撤下裝置[2]。此外，對于一些手腳不便的病人，可以在不麻煩他人的情況下自行完成例如關(guān)燈、關(guān)電視之類改變病房內(nèi)環(huán)境的操作，盡量做到病人躺在床上可以調(diào)節(jié)平臥、半臥、直坐、翻身等姿勢調(diào)節(jié)，以達(dá)到減輕病人家屬及醫(yī)護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。

1 硬件設(shè)計

1.1 總體控制實現(xiàn)方案

智能護(hù)理系統(tǒng)單片機(jī)端主要由STM32單片機(jī)小系統(tǒng)、電源部分、電機(jī)控制部分、溫濕度監(jiān)控部分、體溫及心率測量部分、LCD液晶顯示模塊和蜂鳴器報警部分組成[3]，系統(tǒng)控制的實現(xiàn)方案，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制的實現(xiàn)方案Fig.1 The realization scheme of system control

1.2 電機(jī)控制部分

STM32 mini板需要用+5 V 的直流電壓供電，每個并行IO口引腳輸出的電壓最大也不會超過3 V左右，但我們需要用到的直流電機(jī)需要5 V直流電壓供電，由于單片機(jī)的IO電平電壓不足以直接驅(qū)動直流電機(jī)，因此光靠STM32的IO口輸出的信號不足以控制直流電機(jī)，所以需要采用驅(qū)動電路（ULN2803），電機(jī)控制電路，如圖2所示。病床機(jī)械部分依靠兩個步進(jìn)電機(jī)帶動，起翻身和起身作用。步進(jìn)電機(jī)通過ULN2003與單片機(jī)連接。

圖2 電機(jī)控制電路Fig.2 The circuit diagram of motor control

1.3 溫濕度監(jiān)控部分

GY-39模塊工作電壓為3 V～5 V，功耗低，安裝方便。溫度測量范圍為-40oC～85oC，濕度測量范圍為0%～100%，能夠滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求[4]。其工作過程是：MCU收集各種傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一處理，并且直接輸出所計算出的結(jié)果。STM32通過串行端口發(fā)送0×45到GY39模塊。然后，GY39模塊通過串行端口發(fā)送測量數(shù)據(jù)到STM32 MCU。STM32把所測得的溫度值和濕度值顯示到LCD上，并且通過對比預(yù)設(shè)值來判斷是否需要報警，溫濕度監(jiān)控電路，如圖3所示。

圖3 溫濕度監(jiān)控電路Fig.3 The circuit diagram of temperature and humidity monitor

1.4 藍(lán)牙部分

藍(lán)牙模塊用于與軟件的交互，智能護(hù)理系統(tǒng)選用HC05型號的藍(lán)牙模塊，它是一款高性能主從一體藍(lán)牙串口模塊，作為一個藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口的設(shè)備，只要使用串口編程就能使用，并且可兼容安卓設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳。HC05的RX和TX腳分別連接至單片機(jī)的PA2和PA3腳，藍(lán)牙電路連接，如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙電路連接Fig.4 The circuit diagram of Bluetooth connection

1.5 體溫部分

DS18B20體溫模塊提供9位溫度讀數(shù)，只需一根線便可連接單片機(jī)與DS18B20[5]。為了確保DS18B20能完成準(zhǔn)確的溫度變換，當(dāng)溫度變換發(fā)生時，I/O線上必須提供足夠的功率。因此在I/O線上提供上拉電阻，以使在有效溫度變換期間DS18B20得到足夠電源電壓，從而達(dá)到足夠的功率DS18B20的引腳1接地；引腳2與單片機(jī)P55相連，并通過10 kΩ電阻與5 V電源相連使之鉗制在高電位；引腳3連接5 V電源；體溫檢測電路，如圖5所示。

圖5 體溫檢測電路Fig.5 The circuit diagram of temperature detection

1.6 心率部分

收集心率信號用Pulsesensor脈搏心率傳感器。Pulsesensor脈搏心率傳感器可以戴在手指或者耳垂上。當(dāng)脈搏跳動時，指尖或者耳垂的動脈血管血容量發(fā)生周期性變化[6]。光電傳感器一側(cè)的發(fā)光二極管發(fā)光透過指尖的光強(qiáng)度隨著動脈血管血容量變換發(fā)生周期性變化，傳感器另一側(cè)的光電三極管就會接收到紅外光信號并轉(zhuǎn)化為電信號，得到模擬心率的波形。為了方便單片機(jī)檢測心率傳感器的輸出信號，選擇LM393比較器將波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)方波信號，利于單片機(jī)采集，保證了信號的穩(wěn)定檢測。心率檢測硬件設(shè)計電路，如圖6所示。

圖6 心率檢測電路Fig.6 The circuit diagram of heart rate detection

2 軟件設(shè)計

2.1 ANDROID軟件編程總流程

智能護(hù)理系統(tǒng)APP設(shè)計采用的ANDROID集成開發(fā)工具ANDROID Studio 提供有Bluetooth相關(guān)API，包括藍(lán)牙套接字，藍(lán)牙開閉及狀態(tài)查詢等等，可以滿足系統(tǒng)APP軟件需要達(dá)到的功能。

智能護(hù)理系統(tǒng)APP設(shè)計作為控制端，將計劃好所有要用到的控件，用XAML語言和約束布局完成APP UI界面的設(shè)計，隨后使用Java語言進(jìn)行代碼部分編寫。首先實現(xiàn)與藍(lán)牙設(shè)備的連接和配對的功能，隨后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收、傳輸協(xié)議的制定，最后實現(xiàn)動態(tài)波形的顯示。ANDROID端控制流程，如圖7所示。

圖7 ANDROID端控制流程Fig.7 The flowchart of Android-based control

智能護(hù)理系統(tǒng)初始化（包括液晶，ULN2003，體溫、心率傳感器，預(yù)設(shè)賦初值），調(diào)用電機(jī)、體溫、心率子程序，判斷壓力開關(guān)是否閉合，電機(jī)按鍵是否閉合，體溫及心率是否有信號輸入，然后LCD顯示體溫和心率，并通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，上述流程，如圖8所示。

圖8 智能護(hù)理系統(tǒng)主程序流程Fig.8 The flowchart of intelligent nursing system

2.2 藍(lán)牙通信原理

藍(lán)牙通信使用的是藍(lán)牙Socket通信機(jī)制，服務(wù)端將首先建立一個服務(wù)器套接字，然后該套接字將開始監(jiān)聽客戶端是否有連接請求；客戶端則也建立一個客戶端套接字向服務(wù)端發(fā)起連接，此時如果沒有異常，那么兩臺設(shè)備便已配對成功；由于此時客戶端和服務(wù)端都會持有一個Socket，利用該Socket即可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。

2.3 藍(lán)牙權(quán)限申請

藍(lán)牙的連接通訊功能在使用前需在AndroidManifest.xml中添加與藍(lán)牙相關(guān)的權(quán)限。若想要在APP中使用藍(lán)牙，必須申請BLUETOOTH權(quán)限，若涉及更為復(fù)雜的操作，如掃描設(shè)備、操作藍(lán)牙設(shè)置等，還要申請BLUETOOTH_ADMIN權(quán)限，這是ANDROID出于風(fēng)險管控的考慮而設(shè)置的。ANDROID 6.0以上版本在搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備，還需要申請位置權(quán)限ACCESS_COARSE_LOCATION或ACCESS_FINE_LOCATION，并且將手機(jī)的位置服務(wù)（定位 GPS）打開。由于位置權(quán)限是“dangerous”級權(quán)限，除了需要在Manifest里申請之外，還需要在代碼中進(jìn)行動態(tài)申請。

2.4 手機(jī)藍(lán)牙的開閉

APP開發(fā)中與藍(lán)牙相關(guān)的API都存在android.bluetooth包內(nèi)，實現(xiàn)藍(lán)牙開啟和閉合的類是：BluetoothAdapter，它代表本地藍(lán)牙適配器，該BluetoothAdapter使所有藍(lán)牙裝置交互。采用BluetoothAdapter.getDefaultAdapter()方法可獲取到本地手機(jī)藍(lán)牙適配器，即進(jìn)行類的實例化，實例化后使用BluetoothAdapter.isEnabled()獲取本地藍(lán)牙是否已打開，若返回值為True則表示本地藍(lán)牙已經(jīng)打開，可使用BluetoothAdapter.disable()方法關(guān)閉本地藍(lán)牙，若為False則表示本地藍(lán)牙是關(guān)閉狀態(tài)，使用mBluetoothAdapter.enable()方法隱式打開藍(lán)牙。

2.5 藍(lán)牙設(shè)備的搜索

藍(lán)牙設(shè)備搜索的處理首先要檢測定位權(quán)限，如果是禁止?fàn)顟B(tài)則終止流程，若處于待詢問狀態(tài)則前往申請，為允許狀態(tài)則繼續(xù)流程。隨后檢測藍(lán)牙狀態(tài)，如非STATE_ON則先用靜默方式打開藍(lán)牙。接著，由于藍(lán)牙權(quán)限可能被禁止，需再次檢測藍(lán)牙狀態(tài)，非STATE_ON時發(fā)送Intent打開。

2.6 藍(lán)牙配對

要在兩個設(shè)備之間連接，必須采用服務(wù)器和客戶端的機(jī)制。作為服務(wù)器，必須開啟服務(wù)端Socket。作為客戶端，需要使用MAC地址向藍(lán)牙設(shè)備發(fā)起配對連接。當(dāng)服務(wù)器和客戶端在相同的RFCOMM通道之間，則已相互連接。以這種方式，每個設(shè)備可以獲取輸入和輸出流并交換數(shù)據(jù)。服務(wù)器和客戶端可以獲取以不同的方式所需要的BluetoothSocket。在智能護(hù)理系統(tǒng)中，手機(jī)扮演服務(wù)端的身份，硬件則扮演客戶端的角色。作為服務(wù)端連接首先需要調(diào)用cre ateRfcommSocketToServiceRecord（UUID）方法獲取到客戶端接口，作為串口收發(fā)UUID需為"00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB"，連接成功后，將返回一個連接的BluetoothSocket，此時設(shè)備已配對成功，如要接受其他連接時可調(diào)用close()方法。

2.7 溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸

客戶端發(fā)送“AB”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，回復(fù)“T%.2fH%.2fD”，“T”代表字符串的開頭，第一個“%.2f”代表保留兩位小數(shù)的溫度測量數(shù)據(jù)，“H”代表該字符后的數(shù)據(jù)為濕度數(shù)據(jù)，第二個“%.2f”代表保留兩位小數(shù)的濕度測量數(shù)據(jù)，“D”代表該字符串已到達(dá)末尾。

2.8 病房電器的控制

客戶端發(fā)送“C”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行小燈A的量滅，隨后回復(fù)“K”，“K”代表指令已成功執(zhí)行?？蛻舳税l(fā)送“D”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行小燈B的量滅，隨后回復(fù)“K”?？蛻舳税l(fā)送“H”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行繼電器的開閉，隨后回復(fù)“K”。客戶端發(fā)送“Gxx”（ASCII碼），“G”為字符串開頭，其后數(shù)據(jù)代表對電機(jī)轉(zhuǎn)速的具體數(shù)值，隨后回復(fù)“K”?？蛻舳税l(fā)送“Z”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動停止的動作，隨后回復(fù)“K”?？蛻舳税l(fā)送“E”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行舵機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)（開門）的動作，隨后回復(fù)“K”?？蛻舳税l(fā)送“F”（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，執(zhí)行舵機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)（關(guān)門）的動作，隨后回復(fù)“K”。

2.9 對警報閾值的調(diào)節(jié)

客戶端發(fā)送"YZ"+TemLow+TemHigh+Hu mLow+HumHigh（ASCII碼），客戶端接收到該特定指令后，回復(fù)“K”，“YZ”代表字符串的開頭，隨后的數(shù)據(jù)為新設(shè)定的閾值數(shù)據(jù)，“TemLow”代表溫度警報下限，“TemHigh”代表溫度警報上限，“HumLow”代表濕度警報下限，“HumHigh”代表濕度警報上限。

3 智能護(hù)理系統(tǒng)APP的UI界面

智能護(hù)理系統(tǒng)的UI界面包括“歡迎頁”“主界面”“波形顯示界面”“歷史數(shù)據(jù)查詢界面”。“歡迎頁”用于顯示APP及系統(tǒng)的基本信息及l(fā)ogo；“主界面”用于設(shè)置對本機(jī)藍(lán)牙的開閉、藍(lán)牙設(shè)備配對、設(shè)定警報閾值、顯示溫濕度數(shù)據(jù)及波形、小燈及繼電器的開閉、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和開關(guān)門指令；“波形顯示界面”用于以動態(tài)的波形描繪的方式直觀體現(xiàn)和顯示室內(nèi)溫度、濕度和體溫、心率的數(shù)據(jù)；“歷史數(shù)據(jù)查詢界面”用于查詢之前接收到的溫濕度和體溫、心率數(shù)據(jù)，可以按照日期進(jìn)行搜索，精準(zhǔn)查詢。智能護(hù)理系統(tǒng)APP各界面如圖9所示。

圖9 智能護(hù)理系統(tǒng)APP各界面Fig.9 The graphical user interface of intelligent nursing system

4 參數(shù)驗證

為了驗證智能護(hù)理系統(tǒng)準(zhǔn)確性和有效性，我們在溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院心臟重癥監(jiān)護(hù)室（CCU）選取了一個病房進(jìn)行了模擬改造測試。

我們分不同的時段，隨機(jī)選取5個病人，分別在其手機(jī)上安裝智能護(hù)理系統(tǒng)APP，將Pulsesensor脈搏心率傳感器戴在其手指或者耳垂上，DS18B20體溫模塊置于其指尖，準(zhǔn)備就緒平躺于病床上，手機(jī)APP控制病房內(nèi)的燈開啟和關(guān)閉并顯示測量的參數(shù)。每次測量結(jié)束后，由指定的護(hù)士分別使用福祿克F971對病房環(huán)境溫濕度測量、德國博朗醫(yī)用耳溫槍IRT6520和邁瑞MEC-1000監(jiān)護(hù)儀及對5個病人進(jìn)行體溫測量和心率測量并記錄測量結(jié)果，匯總進(jìn)行對比、分析，如表1所示。

表1 參數(shù)測試結(jié)果Tab.1 Parameter test results

由表1可知，智能護(hù)理系統(tǒng)實測的溫濕度值與Fluke F971測量得到的溫濕度值對照，允許的誤差在±2℃、%5RH之內(nèi)，符合《溫濕度計校驗規(guī)范》要求；實測的體溫值與德國博朗耳溫槍IRT6520測量得到的體溫值對照，允許的誤差在0.2 ℃以內(nèi)，符合《醫(yī)用電子體溫計注冊指導(dǎo)原則》要求；實測的心率值與邁瑞MEC-1000型心電監(jiān)護(hù)儀測量得到的心率值對照，最大的允許示值誤差在顯示值的5%以內(nèi)，完全符合JJG 1041-2008《數(shù)字心電圖機(jī)檢定規(guī)程》要求。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一款應(yīng)用于醫(yī)院病房的智能護(hù)理系統(tǒng)，具有操作簡便、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確高、穩(wěn)定性強(qiáng)及實時性好等特點，經(jīng)過臨床測試，可以實現(xiàn)通過手機(jī)APP控制病房環(huán)境內(nèi)的溫濕度及燈光，并且可以將測量到的病患體溫及心率的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，既可以實現(xiàn)對病患進(jìn)行全方位實時健康監(jiān)測，又可以很大程度上減輕護(hù)士的工作量，提高工作效率。

智能護(hù)理系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的管理監(jiān)控系統(tǒng)，本設(shè)計只是研究了它的一部分，后續(xù)在實際應(yīng)用中，隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展，其概念也會不停向前延伸，其應(yīng)用也將越來越廣，一個較顯而易見的方向在于權(quán)限管控，由于現(xiàn)實病房中存在的角色涉及醫(yī)生、護(hù)士、護(hù)工、病人和病人家屬等會更復(fù)雜而多變，通過設(shè)置不同的權(quán)限實現(xiàn)控制不同級別的功能是我們下一步的工作目標(biāo)。