基于IoT的智能病床系统设计与实现

2022-06-10张悦斌李金娴余钊炜黄晨健张贤斌

电子制作 2022年11期

张悦斌，李金娴，余钊炜，黄晨健，张贤斌

（福州大学，福建福州，350108）

0 引言

在人们生活需求日益满足的今天，我国人口老龄化趋势日益加剧[1]，智能的医疗设施更加完善是我们现代社会的一大重要发展方向[2]。物联网是在2005年ITU的信息社会世界峰会上正式确定的，将任何的时间、地点、人物、物品相联就形成了万物互联的物联网[3]。可见将物联网技术融入医疗系统是大势所趋。病床是病人疗养期间重要的医疗器械，目前我国的护理床处于起步阶段，大多产品功能简单，功能不完善，缺乏核心创新技术[4]。为了能够更加有效率的提供给病人一个更加便利和安全的环境，我们设计了一种基于物联网的智能病床系统。

由于在一些医院，医生和护士对于病房环境信息和病人身体信息获取不够具有时效性，有时在病人突发异常状况或者有一些需求的时候难以及时受到的及时的救治或协作，导致出现无法挽回的结局，因此为了能够更加有效率，且节约人力的方式提供给病人一个更加安全和便利的环境是我们项目的研究目的。系统能为不同程度的病人提供相应的协助。由于重症患者在身体情况不佳时难以作出反应，该设计的系统能够实时自主地采集病患身体状况，在出现异常时会及时提醒医生和护士进行救治，保证医生和护士第一时间能够对病人进行救治。对于轻症患者提供智能语音和按键两种方式，让患者能够在需要联络医生护士或者家属时能够更加方便快捷。

如果病房出现异常的环境情况，病床的实时监测环境系统能够对病床的温度、湿度、气体质量方面进行实时检测，并在APP上直观地显示出来，医生护士能够通过一些空调、空气净化器等设施对病床环境进行及时改善，也可以通过APP配置，让这一过程自动化，在检测到气温，湿度、气体质量等异常时，自动完成环境改善工作，能够给予病患一个更加适合疗养的环境。

1 系统设计

本系统使用STM32系列单片机作为控制器，接收处理传感器和WiFi模块所收集的信息，并对搜集到的部分信息、数据进行处理。

使用温度传感器、湿度传感器和一些气体传感器来检测环境参数的变化，使用红外测温模块来检测病人体温，使用血氧传感器检测病人是否缺氧，使用心率传感器检测病人心率是否正常。在病人打点滴时，使用压力传感器来检测点滴剩余量。

使用阿里云作为网络服务器，来进行信息、数据的传递与储存。手机端App使用Android Studio作为本次项目开发安卓App所使用到的工具。本系统采用Paho Android Service客户端服务包，项目中使用该服务包接入阿里云物联网平台，并进行数据收发。STM32连接LCD显示模块将传感器接收到的所有信息显示出来。

图1 系统框图

2 系统硬件

2.1 主控芯片

主控芯片为STM32F103RCT6，主要负责接收和处理传感器采集的信息，通过与ESP32连接与通信将数据上传到云端。STM32系列单片机教学资源及芯片资料丰富完整，并且其库函数开发较为流行且易于使用，拥有高性能、低成本、稳定性强等特点，广泛应用于电子系统的设计与开发。

表1 硬件清单

压力传感器 HX711空气质量检测模块 MQ-135红外温度检测模块 MLX90614血氧浓度检测模块 MAX30102通信模块 ESP32 LCD显示模块 2.2寸TFT

2.2 压力传感器HX711

HX711压力传感器的上表面和下表面有2个应变片，每个应变片上分布着2个应变电阻，这四个应变电阻采用线路补偿法组成全桥电路，能够增大电压灵敏度，并且由于温度补偿使系统受到温度影响较小，系统中使用HX711传感器用作点滴余量的检测，通过测量空的点滴瓶质量确定点滴余量为0%，测量满瓶时点滴余量为100%，系统会实时将点滴余量信息上传至手机APP上显示，提醒医疗人员及时更换点滴瓶。

2.3 红外温度检测模块 MLX90614

MLX90614红外温度检测模块是一种通过检测物体发出的红外辐射大小来测量其表面温度，它能够在1M范围内无接触地对病人体温做到实时检测，其温度测量精度经过一定算法拟合能够在远距离测温中达到高精度，其成本低、体积小能够广泛应用于医疗设施、运动检测、需要温度控制的家用电器等领域。

图2 DHT11接口图

2.4 温湿度传感器DHT11

由于病房的温度和湿度变化范围和变化速度较小，且对病房温湿度测量的精度要求并不需要太高，综合考虑之后故选择价格便宜、集成度高、拥有温湿度复合检测功能的传感器DHT11。在保证其功能达到系统需求的同时，DHT11传感器还兼具功耗较低、数据传输稳定等优点，广泛应用于汽车、家电、医疗、数据记录器等相关领域。

2.5 心电传感器ADS1292

心电信号的电压幅值十分微弱，容易受到各种噪声的干扰，ADS1292拥有两个高分辨率的ADC对心电信号进行采集和两个高精度的PGA用来对心电信号进行放大，结合低通滤波器滤除高频杂波，能够将心电信号在低噪声的情况下提取出来。ADS1292拥有较高的集成度和非常出色的性能，其拥有着功耗低，噪声低的特点，能够基本满足对医疗需求。

图3 ADS1292接口图

2.6 空气质量检测模块MQ-135

MQ-135空气质量检测模块使用清洁空气中电导率较低的二氧化锡作为气敏材料，当病床中存在有害气体，传感器内部电导率变化等效为环境中有害气体浓度信息输出。MQ-135气体传感器成本低廉，对于可燃气体的检测效果尤为显著，对于气体泄漏或者火灾的预防能够起到一定的作用。

2.7 血氧浓度检测模块MAX30102

MAX30102是集成度较高，成本较低的血氧浓度检测模块，它采用了光溶积法利用人体组织在血管搏动造成的透光率不同来测量血氧浓度，可以适用于测量手腕心率血氧浓度，能够实时检测病人血氧浓度状况有助于医生对病人病情的实时跟踪，该传感器被广泛应用于医疗领域和运动健康领域。

2.8 通信模块 ESP32

ESP32是一个功能非常强大的WIFI模块，其拥有低功耗、工作稳定、集成度高等特点，支持AP、STA、AP+STA共存模式，在系统中使用STM32连接ESP32通过JSON格式进行数据交换，并且配置ESP32接入阿里云，通过MQTT协议发布信息，再通过安卓APP接收系统信息并显示出来。

2.9 显示模块

显示模块采用4.3寸TFT LCD模块，能够完整得将所有测得的信息以及心电波形实时显示出来，方便医疗工作者和病人家属对病人身体状况及病房环境情况的查看。

3 云端服务器阿里云

阿里云是国内第一家做云计算的平台，也是目前国内最大的云计算平台，阿里云平台为了帮助用户高效地完成设备和应用开发，阿里云平台采用了可视化发展方案，解决了开发物联网领域的技术路线复杂，成本较高等问题，并且阿里云相关服务功能价格较为便宜，有一些针对高校学生的优惠活动，网络上的例程较为丰富，阿里云官方网站有相关开发案例辅助初学者对于物联网的开发，方便物联网开发者的学习与使用，并且其安全性、稳定性也较高，所以本系统采用阿里云作为云端服务器使用。

4 安卓APP设计

安卓APP分为封面、控制界面和MQTT服务的设计。能够连入阿里云并将传感器搜集到的所有信息可视化显示出来，并且能够显示出动态波形图，方便观察病人身体状况是否正常，室内条件是否正常，通过遥控功能来操控室内设施如空调，增湿器、空气净化器等。

安卓APP的控制界面有室内温度、空气质量、人体温度、心电波形、血氧浓度、遥控功能六个选项，可根据选项查看系统采集的相应数据并具有遥控功能。由微控制器收集传感器的信息，上传到云端，手机端App从云端获取分析信息，并可自动控制空调、空气净化器等设施，以让空气温度、湿度、气体浓度达到最佳状态。

项目中设计的安卓APP采用Paho Android Service服务包来接入阿里云平台并进行数据的收发。MQTT通信服务页面设计了连接需要输入的clientId、username、password等信息栏方便使用者接入阿里云平台中添加的设备中，系统中安卓APP设计了有工程中封装好的发布消息、订阅topic的MQTT通信功能栏。

图4 APP控制界面

5 软件设计

本系统的软件设计部分主要包含：系统主程序、病床环境信息采集程序、病人身体情况检测程序、屏幕显示程序、安卓APP接收与显示程序。

系统主程序包括对各种模块初始化和通信相关配置，病床环境信息采集包括采集环境温湿度信息、点滴余量测量、空气质量检测，病人身体情况检测包括对病人心电、心率、血氧浓度、体温的检测，最后在LCD屏幕和安卓APP上将数据可视化显示出来，并通过与正常数据阈值比较判断病床环境情况和病人体征情况是否正常。

在控制器端，使用ESP32作为WiFi模块，在手机端，编写安卓App也同样使用MQTT协议接入阿里云，让ESP32和安卓App通过阿里云服务器，实现ESP32和安卓App之间的消息互相发布和接收。

网络连接部分，由于MQTT协议的低开销、低带宽、即时性，以及MQTT在物联网、小型设备、移动应用等方面的广泛应用，本系统使用MQTT协议作为主要通信协议传递和储存信息。在控制器端，使用ESP32作为WiFi模块，在手机端，编写安卓App也同样使用MQTT协议，让ESP32和安卓App互相订阅，实现ESP32和安卓App消息之间的互相发布（Publish）和接收。