基于IoT的智慧云病房系统设计与研究

2021-06-04任立全马啸天张翼凡

智能建筑电气技术 2021年2期

任立全，马啸天，张翼凡

(山东省建筑设计研究院有限公司, 济南 250001)

0 引言

本文通过对智慧云病房系统的研究，介绍了系统的组成架构、主要技术特点以及实现的主要功能，旨在解决当前病房存在的痛点，消除信息孤岛，提高病患的就医体验，减轻医护人员的工作量,用传感器丰富了各类医学数据的采集来源，为将来医疗大数据的分析和共享奠定坚实的基础。

1 目前医院病房存在的痛点

(1)当前各类患者的收治信息与诊断体征，仍主要依靠医护人员人工抄写录入和核对，工作量大，效率较低。

(2)病房内各系统设备数量庞杂，对接厂家售后众多，各有侧重、功能重叠、信息冗杂，未能有效整合，存在信息“孤岛”。

(3)病人与陪护家属获取各类信息的渠道单一，大部分需要线下操作才能实现。

(4)病人的住院生活便捷性较低，对陪护人员体力和精神要求较高。

(5)病人及陪护家属喜欢开窗、开空调、开新风、病房排气扇及照明处于常开状态，造成医院的能源浪费，也容易引起医患之间的矛盾。

(6)病人的精神需求得不到充分满足，其低落情绪会影响康养进程。

(7)医院与患者的交互性差，缺少有效互动。

针对以上痛点问题，需要依托互联网技术、物联网(IoT)、RFID技术、云计算、人工智能、信息技术和多媒体技术，以及对病房场景、护理呼叫流程的深入理解，以全新的理念和方式探索智慧云病房系统解决方案，构建医患交互平台，满足医护管理需求，有效提升患者在院满意度。

2 智慧云病房的系统组成与架构

智慧云病房系统主要由大数据云平台系统、通讯传输系统、物联网现场数据采集及控制部分等组成。通过分层的架构设计保证系统稳定性与可靠性，同时各层布置方式可灵活配置，使得系统对不同设备的适用性更高。图1所示为智慧云病房网络架构拓扑图。

图1 智慧云病房网络架构拓扑图

2.1 智慧云病房网络架构

(1)智慧云病房大数据云平台

作为智慧病房系统的“大脑”，通过处理各种数据、设定管理策略，经过网络传输层对数据采集层进行智能化管控，使得智慧病房系统能够自主、高效、智慧运行。系统利用 Web Service 技术与医院 HIS、EMR、移动护理系统对接，实现数据共享。

(2)通讯传输层

作为智慧病房系统的连接层，将数据采集层的各类装置有机结合在一起，将数据传输至管理平台；大数据平台通过通讯网络对病房内现场执行器下发指令，实现对数据的上传和下控。

(3)数据采集层

作为智慧病房系统的基础层，为大数据平台提供所需数据，包含各类终端设备、各种物理量采集传感器和生理指标采集传感器。通过病房内智能控制器与传输层通讯，把数据上传给系统平台，该层具有高速率、高精度采集特点，能够远传、自诊断及自恢复，支持各种通用的通信协议。

2.2 智慧云病房基础设备

(1)病房综合布线

系统采用RS485总线等将传感器和各种数据采用总线接入系统，用一根网线即可联接所有的传感器和控制面板，节省布线和安装工时,调试和维护方便,系统的可靠性更高，通过软件可任意定义输入和输出端口。

(2)子系统智能控制

将不同的传感器系统和控制器系统通过通讯网络接至系统平台，根据每个子系统运行特性建立对应的控制模式和逻辑关系，实现子系统智能化、精细化管控。

(3)运行数据分析及处理

通过对病房内各种物理量、各种电气系统的数据统计、分析和逻辑运算，建立病房数据模型，按照预设模式、逻辑、算法来智能化的管控病房内环境和电气设备。如当房间内CO2传感器采集数据超过预设值时，系统自动发出指令命令开窗器开窗，同时打开新风系统。

(4)采用智能床垫或是智能医疗设备，能够实时采集体温、血压、心率、尿床、睡眠、运动量等数据，通过通讯网络和数据处理接口，上传到护士站的数据监测平台，自动转录到各类护理记录中，护士不用现场采集和手工重复录入，大大减小了医护员的工作量。该设备可以实时接收、监测、分析病人的各项生理数据，超出设定数据的，系统会给出建议或预警，该系统能通过大数据及预存病理库，综合分析患者的各项生理指标，为医生提供准确的数据分析及诊疗建议，大大提高医疗系统的智能化程度水平。

3 智慧云病房系统的主要特点

系统是以病患为中心、病房和病床为承载平台，以患者的健康数据管理为主线，通过云病房系统连接医院的HIS系统及各个管理子系统，将医护人员、患者、医疗监测设备通过多网络紧密联接联通，建设以患者为中心的健康医护云平台，让病人可感知、可操作，提高病人住院期间的就医体验及舒适感，提升医护人员工作效率的同时降低运营成本，实现方便快捷的智慧护理和智慧应用。

3.1 物与物联

物联网感知房间内的声、电、位移、力、热、光等信号，根据事件发生对象、空间、环境以及时间等相关信息来判断事件，物体从感官到智能相联，经大数据运算并上传到云平台。

智慧云病房系统是通过房间智能控制器，将病房内设施联网集中控制，让病人操作简便化、后台数据清晰化、病人体征可视化、能耗管理可控化。例如，当光照度传感器采集数据达到设定值时，系统经过逻辑判断，自动关闭房间内的灯光；当病房内开窗时间超过15min时，系统发出指令关闭空调以节省能源；当厕所红外探测无人时，系统自动延时关闭厕所内的排风和灯光。

3.2 人与物联

通过物联网及传感器技术，人机智能交互设备可以实时采集病人的各项生命体征数据进行管理和分析，供医护人员参考；管理者或病人可通过物联网控制房间内的所有电器和设备(如智能床垫和手环)检测到病人体温变化，系统经过逻辑运算，自动调整房间内的温度；病人可以现场用语音控制病房内各种电器设备和病床。

3.3 万物互联

把所有人的信息和物的数据互联起来,进行信息交换和处理,以实现智能化采集、识别、定位、跟踪、监控和管理，实现真正意义的万物互联。

4 智慧云病房系统终端设计

病房是病人治疗和生活的场所，智慧云病房实现的功能设计需考虑特殊的需求，如人员流动大、静音、易清洁、门窗管理、灯光控制、电器控制、防止交叉传染、防止造成人员伤害以及开窗与空调的矛盾等，这就对云病房智能控制系统的设计提出了很多新的要求。智慧云病房外围系统终端设备组网示意图如图2所示。

图2 外围系统终端设备组网示意图

4.1 场景开关面板

面板选用弱电型自复位式开关，通过RS485协议与主机通信，采用“弱控强”的形式用网线与主机连接，可以让系统对病房内的各种灯具、窗帘、开窗器及电器等进行单独或组合智能控制，从而达到方便病人、提高舒适度及节能等效果。护士站也可远程自定义设置，即管理人员可以在电脑的系统软件端自由设置和更改病房的场景及模式，提高便捷性和灵活性。

4.2 空调、新风远程监控

空调面板采用联网型空调温控器，通过RS485协议与主机通信，云平台软件对主机统一设置，如采用模式控制或分时间段控制空调、新风设备，既能保持病房舒适度，又能节省能源。统一定时排风，使病房保持空气清新，且无需人工干预。该技术在某医院已完成了约3 000控制点的智能化控制及系统平台建设，取得了良好的应用效果。

4.3 智能感应设备

病房卫生间采用红外与微波双鉴探测器，当病人进入卫生间时不必手按开关即可自动点亮灯具，离开卫生间后自动延时关闭灯具，同时配合光照度感应器，可设定光线充足时房间部分灯具不可打开，既给病人提供了便捷的享受，又避免能源浪费。

门窗磁可实时监测房间门窗的开关状态并记录，在某些特殊情况下让护士第一时间查询到病人进出房间的动态信息；若房间空调正在工作且房间窗户长时间处于打开状态，超过一定时间后系统会自动通过开窗器将窗户关闭或调整空调工作状态，既保证了病人的身体健康，又避免了能源浪费。

4.4 电量采集管理监控

系统通过在病房内安装电量采集模块，采用RS485通信方式，可以实现病房电量统计及能耗分析；还可以对病房内电器及设备远程故障自诊断。当病房内电器出现故障时，系统软件则会实时报警，便于维护人员及时维修或更换设备，提高后勤维护效率。

4.5 智能语音音箱

病人可以通过智能语音音箱来控制房间内灯光、空调、新风、窗帘、电视等电器，以及智能问答、讲故事、听音乐等功能，在减缓病人焦躁情绪的同时，也带来了更便捷的享受体验。

5 智慧云病房辅助医疗系统主要功能

系统通过云计算、物联网和RFID、传感器等新技术，以智能终端设备为载体，通过管理、服务的数字化、智能化与网络化，实现病房个性化服务、便捷高效管理、节能降耗。图3所示为智慧云病房辅助医疗系统组网示意图。

图3 智慧云病房辅助医疗系统组网示意图

5.1 数据处理及越值报警

病房内根据需要可设置各种传感器采集环境物理数据，并将采集到的数据通过通讯网络实时传送至系统云平台，由云平台存储并分析处理这些数据。设置在护士站的数据监测平台实时显示每位患者的生理指标，超出设定数据，系统会给出建议或预警，实时监测、实时分析，减小了医护员的工作量。

该系统能通过大数据及预存病理库，综合分析患者的各项生理指标，为医生提供准确的数据分析及诊疗建议，提高了医疗系统的智能化程度。

5.2 智能输液监控管理系统

采用先进的RFID技术，设备通过无线网关与主机通信，结合现场传感器、RFID无线射频、红外感应等技术，终端通过RFID无线射频技术逐次扫描各床位的输液监控器，通过传感器感知各个床位是否在输液，并对输液时的状态(如输液流速、输液余量、剩余时间、滴速过快、过慢、滴停及输液终末状态)通过无线技术实时传输给中央站。当输液即将结束或药液剩余量小于预先设定值时，中央站将通过音频语音提示护士前去接瓶或结束输液。

5.3 智慧床旁交互系统

通过床旁分机，不仅可以满足接收治疗提醒、查询住院信息、填写调查问卷等需求，还可以满足床旁端患者与家属的影音娱乐、住院生活等需求。护士通过权限认证后，可在床旁随时查阅患者各种信息、输入各种体征以及执行医嘱等操作；医生通过权限认证后，可在床旁随时查阅患者入院以来的各项治疗信息。

5.4 生命体征床垫

床垫采用超薄设计，可直接放置于现有床垫下，监测准确性不受影响，病人在无拘束状态下，只需躺在床上即可监测其心率、呼吸、在离床、体动等生命体征数据，通过RS485通信方式与主机连接，将数据上传智慧云平台，在数据或状态异常时主动报警，做到对被监护人的多级安全管理。

5.5 智能穿戴监测设备

智能手环及电子血压计均采用蓝牙5.0协议与网关连接，通过有线/无线方式与主机实时通信，可24h监测体温、心率，同时手环可监测病人的睡眠时间和睡眠质量，并实时上传至云端，当体温异常时，实时报警提醒医护人员进行查看。血压计采用第三代手腕式，使用方便，提供血压检测的同时可自动测量心率数据，心率不齐时自动推送至医护人员。