基于物联网的新生儿培养箱外环境监测报警装置的设计

纪志峰，孙小磊，羊月祺，金奇

江苏省人民医院 临床医学工程处，南京 江苏 210029

引言

新生儿培养箱又称婴儿暖箱，广泛应用于医院的新生儿室、产科、儿童重症监护病房（Pediatric Intensive Care Unit，PICU）等科室，主要为早产儿、低体重新生儿和病危儿提供一个恒温、恒湿的类似母体宫腔的环境，可用于体温复苏、恒温培养、输氧、输液、抢救、住院观察等。它的稳定运行与安全规范使用对保障新生儿的人身安全至关重要[1]。而在临床使用中，存在培养箱使用不规范、放置位置不合理、保养巡检不到位等诸多问题，因此加强科室使用人员的培训、合理放置培养箱以及定期进行预防性维护等需落实到位[2]。除此以外，培养箱在临床应用中的特殊性，要求在使用过程中需密切关注设备运行外环境的稳定性，尤其是对温湿度的要求极其严格。根据JJF 1260-2010《婴儿培养箱校准规范》可知，环境温度处于20～26 ℃时，控制温度应大于环境温度3 ℃，温度超调量不超过2 ℃，环境湿度应处于30%～85%[3]，以此避免使用中不良事件发生。国家药品监督管理局发布的不良事件通报，关注婴儿培养箱的使用风险显示：自2002年1月至2011年10月，国家药品不良反应监测中心共收到培养箱可疑医疗器械不良事件报告332份，主要表现为温度失控、通风 系统故障、皮疹、划伤等，其中温度失控167例、通风系统故障50例、划伤4例[4]。在这些不良事件中，温度失控导致的不良事件发生的比例最大，所以合乎规范的温湿度条件对安全使用培养箱显得尤为重要[5]。

目前在我院科室的实际使用中，温度异常、湿度无法下降是最常见的故障。通常情况下，医务人员会将温度异常的培养箱移至设备间等待检修。在检修中发现，大多数故障设备，通过各种检测手段和工具进行测试，均无任何异常。此类高温报错频繁发生，不仅增加了医务人员不必要的负担，也影响了科室工作高效有序地开展。

经过多次观察实验与维修可知，除自身原因外，温度报警主要是由两个外部因素（光照过强、环境温度异常）导致。以重症监护室为例：① 监护室东侧南侧墙壁为透明玻璃幕墙，虽无阳光直射，仍光照强烈，培养箱内部因温室效应，设定温度与实际温度差高达3～5 ℃，当培养箱位于阳光照射下时，温差更大；② 重症监护室空间大，中央空调出风口较多，气流直吹的区域温度过高（过低），无法达到环境要求。

针对以上问题，本文利用ESP8266 Wi-Fi芯片连接光照传感器与温湿度传感器，设计了一种新生儿培养箱外环境监测报警装置。依托物联网平台，通过上传数据，设定阈值，给出警报与提供数据查看功能[6-7]，避免培养箱外环境的异常导致频繁报警。

1 系统概述

1.1 系统总体设计

本文中新生儿培养箱外环境监测报警装置主要由控制芯片、光照传感器、温湿度传感器、蜂鸣器、物联网云平台和手机端组成[8]，其总体框架如图1所示。该装置使用控制芯片，对传感器采集的数据进行处理[9]。超过设定阈值时，蜂鸣器立即报警，第一时间警示医务人员进行处理。同时无线模块连接Wi-Fi，将采集的光照强度、温湿度数据上传至云平台，记录、处理的同时可将信息以数字和图表化双重模式直观显示。通过设置触发器，发送报警邮件给相关人员进行后续处理，医务人员和工程师可以在手机和PC端进行实时监测与历史数据的查询。

图1 系统总体框架图

该装置报警功能由两部分组成：① 现场报警，通过蜂鸣器报警提示临床科室使用人员，当光强或温度超过设定阈值达5 min，发出警报，需检查并消除接下来可能出现的高温和“故障”现象；② 远程实时报警，通过邮件报警方式，主要是面向工程技术人员。工程技术人员可在手机端进行历史数据的查询，然后分析判断高温高湿的故障是否为环境异常所致。

对于该装置中的手机端，根据使用人员的不同分为两款APP：① 新生儿培养箱外环境监测软件，基于安卓系统。主要面向医务工作者，只具有环境数据的实时监测功能，简单实用；② OneNET设备云，主要面向工程技术人员，具有环境数据的实时监测功能外，还可以查阅详细历史数据和图表信息，生成的大数据可作为设备管理、故障预判、成本分析等的重要数据源。

1.2 报警限值设定

根据标准，培养箱外部温度范围在20～30 ℃。外部湿度不做要求，因此只监测，不做报警设置。虽然标准中并未对光照强度有明确规定，但光的变化会对箱内温度产生较大影响。异常光强会导致箱内温度升高，因此光强报警限值的合理设定对监测培养箱状态至关重要。

本文通过多次测量各项指标正常的新生儿培养箱，对其光照与箱内温度比较而后得到合理限值。为保证所取限值的合理性及科学性，将室内温度统一调整为25℃，设定培养箱内温度初值为32 ℃，而后逐渐增加外部光强同时记录箱内的温度变化。实验所得如表1所示，随着光强增强，箱内温度也在逐渐升高，当箱内温度达到34 ℃的极限值时，光照强度为4175 lux。继续增加光照，箱内温度已超出正常值，最大差值达4.1 ℃。在多次测量后将光强报警值设置为4200 lux。

表1 光强与温度变化

2 系统硬件设计

2.1 控制芯片

ESP8266WI-FI芯片是乐鑫公司设计的一款Wi-Fi模块芯片，包括集成处理器、数字外设接口、天线开关等，具有价格低、性能稳定等优点[10]，既可作为MCU进行数据的处理与控制，又可通过Wi-Fi模块联网上传数据。芯片以NodeMCU 1.0板为开发平台，通过IIC协议接收光照传感器的数据，采用单总线接收温湿度传感器的温、湿度数据，并对采集到的三种数据进行分析处理。设置安全阈值，数值过高时，蜂鸣器发出预警。并将采集整合后的数据上传至云平台，发送相关信息至客户端。

2.2 光照传感器

本装置采用光强度模块GY-30作为光照传感器，是一种通过IIC总线进行通讯的集成电路芯片。目前设计有一个光照传感器，置于箱体的传感器盒旁。当有采集数据超过阈值时，即认为有过强光照射。传感器的光强范围为1-65535 lux，有接近视觉灵敏度的光谱特性，工作温度为-40～+85 ℃，内置AD转换器，可对光照度进行数字转换。功耗低、响应速度快，能满足外部检测的需求。

2.3 温湿度传感器

本装置采用温湿度传感器AM2302，内部使用负温度系数的热敏电阻作测温元件，电容式感湿元件测量相对湿度。考虑温湿度的影响主要来源于上方的空调出风口，所以将温湿度传感器放置在培养箱箱顶正中间，用以检测外部温湿度是否适宜。其温度测量范围为-40～80 ℃，测量分辨率达0.1 ℃。湿度测量误差为±2%RH，采用单总线进行数据的回传，功耗低、抗干扰能力强[11]。

2.4 蜂鸣器

本装置采用无源蜂鸣器用于报警，通过ULN2003D芯片放大信号电流，给蜂鸣器供电，详见图2。芯片IO口输出高低电平，形成直流脉冲，通过调节占空比而发出两种不同音调的报警声，用以区分培养箱外部的光照和高温报警。

图2 蜂鸣器

3 系统软件设计

本装置软件设计主要有控制端、云平台和手机端三个部分，软件框架如图3所示：① 控制端：收集光照、温度、湿度数据通过控制芯片连接Wi-Fi后与OneNET云平台进行通讯，采用HTTP协议进行数据传输；② 云平台：接收数据流并对数据流进行分类、储存，同时设置触发器发送远程预警信息等；③ 手机端：使用OneNET自带的设备云，或开发的安卓专用APP，利用云平台分配的API接口获取数据，进行设备状态的实时监测与历史查询。

图3 软件框架图

3.1 控制端

控制端使用ESP8266WI-FI芯片、基于Arduino IDE的开发板NodeMCU 1.0平台，采用C语言编程。Arduino平台提供了大量传感器开源库，使用者可以简单地移植到自己所需的开发板上。控制端软件流程如图4所示，控制板开始工作后，调用光照传感器库函数＜BH1750FVI＞和温湿度传感器库函数＜DHTesp＞并对其初始化，通过应用程序控制终端采集数据、连接Wi-Fi后与云平台通讯。检测成功后，合成需要的JSON数据流[12]，每分钟上传一次。最后判断测量值是否超过阈值，并进行报警。

图4 软件流程图

3.2 云平台

本文报警装置选用的物联网云平台是中国移动的OneNET，可提供多种协议、API和应用模板以及支持种类众多传感器与智能硬件的快速接入[13]。接入云平台流程有如下几步：① 添加设备：通过HTTP添加设备，新建数据流；完成后云平台会自动分配三个标识：设备ID、API地址和APIKey，控制端通过这三个标识发送数据至云平台；② 触发器管理：在触发器管理界面，选择数据流、触发条件以及接收方式，接收路径选择邮件接收；③ 传输协议：利用HTTP协议只接收数据，符合本报警装置需要。如图5所示服务器地址为：183.230.40.33端口号为80，设置成功后，即可上传数据至云平台，通过判断条件是否继续上传以及触发器报警[14]。

图5 HTTP接入流程图

3.3 手机客户端

3.3.1 新生儿培养箱环境监测APP

本报警装置基于安卓系统的手机端，利用App Inventor软件开发，工程师无需面对复杂的代码仅需积木式的堆叠拼装即可制作。新生儿培养箱环境监测APP中，只显示三个环境参数光照强度、外部温度与外部湿度，单位分别为lux、℃和%RH。根据需要OneNET将数据进行推送，可将其视为客户端，手机为服务器，将需要的数据以HTTP请求的方法，推送给“服务器”[15]。

App Inventor开发分为组件设计和逻辑设计，组件设计为界面布局如背景、图片、底色和字体大小等，重点为逻辑设计中与云平台的通讯部分。图6模块中URL的初始化，可看出获取数据的网址和设备ID，全局变量HEADER表示个人产品的API密钥。根据个人需求对获取的光照强度、温度和湿度数据流进行分割处理、界面的关联显示等。本APP软件需下载新生儿培养箱环境监测.apk，此安装包极小，易于下载传播。

图6 逻辑设计

3.3.2 OneNET设备云

OneNET云平台自带手机APP，更适合面向工程师。云平台提供iOS与Android下载，需账号登录。进入设备云后，点击自己创建的产品，如培养箱环境监测。进入相应设备，可看到不同参数的数据流。如图7所示，设备云的应用功能与云平台一样，可通过添加应用对其编辑布局。有文本、折线、柱状、仪表等多种表现形式，然后通过属性与相应的数据流关联，实时显示[16]。

图7 设备云监测状态

4 运行结果

本装置2020年初已于我院PICU和小儿胸心外科进行测试使用。初期，曾多次出现错误数据上传和无数据上传。经工程师多次检查发现，错误数据是因为工作人员对婴儿蓝光治疗时，会将箱体用布遮挡，同时外侧的传感器也被盖住。无数据是因为芯片连接医院的免费Wi-Fi不稳定，经过协商，得到相关科室的Wi-Fi账号密码，后数据稳定上传。

目前本装置在使用中，已多次对培养箱外部光照和温度异常状况进行实时监测和精确预警。例如PICU一台在用培养箱发出预警，持续2 min。如图8所示，工程师收到报警提示后，查看温度趋势图的同时并询问现场使用人员具体情况，得知空调的出风口对准培养箱导致其外部温度过高，将其推开后报警消失。小儿胸心外科病区使用的一台培养箱，在光照状态异常时发送邮件报警信息如图9所示。工程师前往现场查看具体情况，发现该培养箱被家属推至窗边，由于阳光直射，实际温度高于设定值2.2 ℃，内部温度无法自行降低，工程师迅速采取相关措施，在最短时间内使培养箱恢复正常。

图8 外部高温报警

图9 邮件报警

5 讨论与总结

本文报警装置采用ESP8266 Wi-Fi模块入网，作为MCU控制蜂鸣器报警和传输数据至云平台，判断并进行邮件报警。能提前、有效识别导致温湿度过高的外部因素，最后利用手机客户端远程监测[17]。

新生儿培养箱属于三类医疗器械，对内部温湿度需严格控制，而外环境造成的虚假“故障”现象，已成为相关科室一个亟待解决的问题[18]。目前各个医院对培养箱的问题处理，除了巡检与质控，均为被动式的等待报修。而外环境异常导致多种问题：温度偏差大、均匀度差、波动大等，使得工程师疲于维修检查，频繁的报警音也对临床医务人员产生了巨大的心理压力。与此同时市场上所售培养箱的温控系统具有滞后、惯性、特性参数随温度变化的特点[19]，这也是近年来许多培养箱温度失控不良事件的根本原因[20]。本文装置意义在于：工程师在日常工作中，可以利用客户端主动去干预、减少问题的产生，将外环境对培养箱及内部新生儿造成的高温隐患减少至最低。并具有预警、远程查阅、实时监测、历史查询和报警的特点，即使面对各种类型的培养箱，也能快速判断解决此类“故障”[21]，使新生儿多一层安全保障。将获得的数据与内部温度对比研究，既能减少不良事件的发生，给培养箱的预防性维护提供有力的保障[22]，也可以分析出多种培养箱温度特性的优与劣，对后期新设备的选型具有指导意义。此外还可以增添传感器数量，优化光照与箱内温度变化的关系进行更加准确地报警反馈。最终生成有用的数据作为设备管理、故障预判、成本分析等的重要数据源，为以后的智能化维护、管理、质控等奠定数据基础。

本装置利用传感器监测外环境的变化，简单实用，未来也可以将其应用到培养箱内部监测或对光照和温湿度要求较高的医疗设备中。