基于物联网的智慧病房设计与仿真

刘 帅，王亚奇

（河南城建学院 计算机与数据科学学院，河南 平顶山 467036）

0 引 言

在当前医疗模式下，住院患者若要得到较好的治疗并尽早康复一定程度上与医护人员能否及时查看患者的各种生理指标并响应患者的治疗诉求有关。然而目前医疗护理人员对患者仍无法做到实时监控和响应，这既不利于患者的康复，也容易产生医患纠纷。基于此，本文提出一种基于物联网的智慧病房系统，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，减少医护人员的工作量[1]。同时，该系统利用传感器采集病房内的温度、湿度、烟雾浓度、患者体温、患者输液情况等各类数据并进行数据分析，不仅可以更为精准地观察患者的生理状态，提升检测实时性与精准性，方便动态调整治疗方案，也为未来医疗的大数据分析和共享奠定坚实的基础[2-3]。

1 系统总体设计

本文以患者为中心、病房为平台，综合考虑目前病房数据传送的延时性和医护工作量大的现实矛盾，对系统进行模块化设计，更加准确地抓住痛点问题，专项处理现实弊端。如图1 所示，本文将系统具体分成4 个模块：数据采集、数据传送、数据分析、数据显示。

图1 系统总体设计

数据采集模块：是整个系统信息分析的基础来源。本文以传感设备为采集主体，实时采集监控病房环境和病患病理指标，并将数据实时传递给数据分析模块，以达到对病患的精准辅助治疗。

数据传送模块：考虑到病房因采用固定有线传输而存在的线路密集混乱的弊端以及医院对于整体环境干净整洁的需求，根据病房构建特性，本文在数据传输模块使用ZigBee设备[4-5]作为纽带来完成数据采集汇总和信息转发控制。由于一台ZigBee 设备可管理255 台数据采集设备，因此每个病房仅须安装一台FFD 设备即可满足监控需要；由于FFD设备具备星型、树型、网型组网拓扑结构，所以可为病房区建设安全、高效的信息传输网络，有效保证数据传输的及时性、可靠性。

数据分析模块：将实时数据上传到网络中心集中处理，通过数据分析算法判别病房环境和病患情况，根据分类模型给出治疗建议，便于医生及时监管病患病理指标，对异常指标达到早发现、早干预、早治疗的效果。

数据显示模块：将病房采集的数据通过云平台显示在护士站工作台终端设备和走廊显示屏，多屏显示动态更新的变化趋势，方便医生更直观地观察到病人身体状况和实时需求变化，追踪病人康复情况，打造高质量就医环境。

2 硬件设计

硬件设计分为3 层：感知层、网络层和应用层。感知层负责实时采集监控病房环境和病患病理指标。针对病房环境和病人需求，感知模块检测内容有：病房环境温湿度信息、烟雾浓度、光照强度、患者体温、输液完成与否、是否呼叫医生；使用的传感器有：温度传感器、湿度传感器、烟雾浓度传感器、光照检测器；同时还设计了输液报警器、呼叫按键等。网络层使用无线传感网技术ZigBee 对终端传感器节点采集到的实时数据进行汇合，采用去中心化的网状拓扑结构，是一种自组织多跳网络，拥有较强的自愈能力，十分适用于病房这个短距离多功能多模块连接的复杂环境中。经路由节点信息汇合后，将病房环境数据和病患病理指标发送至本病房的协调器中，由协调器完成网络的创建和数据的转发，对外传送本病房数据到网络中心集中处理。

以单个病房为最小单位，每个病房配备各式传感器、路由节点和一个协调器。由路由节点汇集来自终端传感器节点的实时数据，向上传递至病房协调器中，ZigBee 协调器将采集到的病房数据进行整合打包，将数据向上汇集至网络中心处理。以1 个协调器ZC、10 个路由节点ZR、15 个终端传感节点ZED 为例，系统拓扑图如图2 所示。

图2 病房拓扑图

3 软件设计

在硬件信息采集完成的基础上，通过软件设计进行数据加工显示。软件设计有数据分析模块和数据显示模块。设备终端无线通信模块在EDP 协议的功能下将数据上传到OneNET 云平台，实现病房设备和OneNET 云平台之间的连接；连接完成后系统开始读取所传递的烟雾浓度、人体温度、环境温湿度等数据，由OneNET 云平台将采集到的病房环境数据和患者身体数据分类保存、实时更新，并通过数据分析算法判别病房环境和病患情况，构造分类模型，方便医生进行数据分析、及时监管和治疗。

数据显示模块创设护士站工作台前端页面，通过云平台将病房信息同步发送更新至护士站工作台设备，方便医护人员可以在护士站工作台设备上查看各个病房环境和病人身体的监测数据变化；云平台实时更新检测数据，可以通过历史数据观察各项特征参数的变化趋势，判断患者的生理状况和恢复情况，摒弃了冗杂的手工抄录核对和在不同病房中的不断往返，提高了临床护理工作效率。同时，在走廊上额外增置一个液晶显示屏，与护士站工作台同步接收OneNET 云平台传递的数据异常报警、病人呼叫信息，并按照接收到信息的时间顺序在液晶显示屏上排列显示，此功能可以有效避免医生和护士因未及时看到弹出的患者异常报警或呼叫信息而错过最佳诊治时间。

4 系统仿真

为验证上述设计的可靠性，下面模拟病房环境进行仿真实验。按照上述设计与安排，智慧病房仿真采用STC12 芯片中的STC12C5A60S2 芯片作为主控芯片，LCD1602 液晶显示屏模拟走廊显示屏，ESP8266 作为网络模块与WiFi 相连；检测传感器有YW03 非接触液位传感器、DS18B20 数字温度传感器、DHT11 传感器、MQ-2 烟雾浓度检测传感器；呼叫报警模块包括蜂鸣器、LED 灯、电容触摸按键[6]；同时，使用OneNET 云平台实现与设备和上位机之间的数据传输和展示。实验流程见表1 所列。

表1 实验流程

根据实验流程，进行了4 次实验。以实验1 为例，仿真结果如图3 所示。

图3 仿真结果

通过对系统进行仿真测试，验证了系统达到了设计要求。智慧病房的建设，结合了各种管理系统和数字化终端设备，实现了医护人员与患者之间更为便捷的沟通，数据检测更加准确真实，病人可感知可操作，提高了病人住院的体验感和舒适感，帮助病人尽快恢复。同时，为医生提供了可视化界面，方便对整个科室病房进行统一高效管理；异常情况报警呼叫功能完备，适用于医院多方面的需求。经过仿真测试，系统表现良好，实现了设定的功能，具有较强的实用性，并为接下来的深入研究提供了技术保障。

5 结 语

本文的智慧病房设计，借助网络传输模块、云平台实现了数据的实时监测、显示和同步更新，护士站工作台显示界面和走廊液晶显示屏能直观反映患者情况和呼叫需求，极大地提高了患者就医和医生监管效率。该设计能够实现远距离对病房环境和病人信息的实时监控，减少医护人员往返病房的次数，及时反馈患者需求，为患者提供安静的康复环境，减少医患纠纷，打造高舒适度、高效率的新型病房环境。但本文中检测数据较为普遍，缺乏针对性，接下来的研究将针对专科人群进行分类设计，如母婴病房设置婴儿防盗，心脏科室的心电监护，呼吸科的血氧监测，重症病房的脉搏、心率、血压监控等，提高智慧病房系统的专业适用性，为患者提供便捷、舒适、安全、优质的医疗服务[7-10]。