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NICU培养箱温度无线监测系统的研究与设计

2017-06-15何逸开+王敏

计算机时代 2017年6期
关键词:ZigBee技术无线传感网络

何逸开+王敏

摘 要: 研究设计了Zigbee无线传感网络框架下的新生儿培养箱实时温度监测系统。以柔性贴片式体温传感器和CC2530射频芯片为核心,设计了信息采集节点,并基于CC2530加UART接口设计了协调器节点和网关,实现数据的远程传输。护士工作站监护软件可以从智能网关中实时读取箱温和体温数据,进行分析比对监测,并自动生成体温单图表。

关键词: 无线传感网络; ZigBee技术; CC2530; 新生儿培养箱; 温度监测

中图分类号:TP302.1 文献标志码:A 文章编号:1006-8228(2017)06-40-03

Research and design of wireless temperature monitoring system for NICU incubator

He Yikai, Wang Min

(Information Department of Shaoxing Women&Children's Hospital, Shaoxing, Zhejiang 312000, China)

Abstract: The real time temperature monitoring system of neonatal incubator based on ZigBee wireless sensor network is designed. The information acquisition node is designed based on the flexible body temperature sensor and CC2530 RF chip; the coordinator node and gateway are designed based on CC2530 and UART interface to realize the remote data transmission. The nurse workstation monitoring software can read the temperature data of body and incubator from the intelligent network in real time, analyze and compare the monitoring, and automatically generate the temperature chart.

Key words: wireless sensor network; ZigBee technique; CC2530; neonatal incubator; temperature monitoring

0 引言

在美國每年有10%的婴儿需要在新生儿重症监护中心(NICU)接受看护。中国随着二胎政策的全面放开,势必面临着NICU病人增多,护理难度增大等问题。目前的婴儿培养箱虽然能为新生儿提供适宜的温度和湿度环境,提高早产儿的存活率,但新生儿体温的采集和监测都还停留在人工测量、记录阶段,消耗大量的人力物力,工作效率低,对新生儿身体状况指标缺乏及时的了解,造成护理安全隐患。如何通过ZigBee无线传感网络框架将独立的婴儿培养箱整合到一个完整的监测系统内,使培养箱箱温和新生儿体温变化实时地呈现到护士工作站PC端界面,从而减轻护士工作量,提高效率,这些是本文讨论和研究的重点。

1 系统架构设计

ZigBee无线通信技术使用2.4GHz波段,采用跳频、扩频技术,可与254个节点联网,是一种低功耗、低成本、时延短的短距无线通讯技术[1],与传感器结合就能组建ZigBee无线传感网络,实现一点对多点通信,ZigBee网络节点按功能分为三大类:协调器节点、路由器节点、终端节点。

协调器节点主要功能是启动ZigBee无线网络,接收终端采集节点、路由节点发送的数据,在系统中实现数据的汇聚和与PC机的串口通信。路由节点与协调器节点组成数据传输网络,主要负责接收采集节点发送的数据包并将数据包进行路由,传送至协调器。终端采集节点实现的功能主要包括状态指示、数据采集、与路由节点协同实现体温数据的发送,并在保证工作性能的情况下尽量降低功耗。

根据实际情况和用户的需求,一定数量的节点可以组成3种不同拓扑结构的网络,分别是星形网络、树形网络和网状网络[2]。由于NICU区域面积较大监护病人较多,因此本系统在这样场所使用树形网络。

本系统使用基于ZigBee的WSN技术,借鉴了国内外医疗监护研究经验,设计了系统架构图,如图1所示。其中S1,S2,S3……分别代表各个保温箱的温度信息采集终端节点,系统框架由数据采集终端节点、路由节点、协调器节点、护士站PC监护终端和数据库五部分组成。

温度信息采集终端节点可实时进行新生儿体温和培养箱箱温的信息采集。路由节点负责数据包转发和子节点管理,扩大网络覆盖范围。协调器负责建立并维护网络,发挥网关的作用,收集节点采集的生理信息和网络布局信息,通过UART的方式传到与之相连的护士站PC监护终端,终端的应用程序将数据进行分析、以动态体温单的形式展示并将病人信息体温数据及时存储到数据库中。

2 硬件功能模块设计

本系统的终端采集节点、路由节点和协调器节点都以CC2530芯片为核心,CC2530芯片是一款真正的SoC,它将一个完全集成的、性能优秀的RF收发器与一个增强型8051微处理器内核结合起来,因此用一片CC2530芯片和少量外围电子元器件组成的电路就可以实现无线通信和数据处理[3-4]。

本系统中路由节点结构相对简单,硬件上只要在数据采集节点基础上去掉相关医疗传感器即可,软件实现方面也与数据采集节点相同。因此下面重点讲述数据采集节点和协调器节点软硬件研究与设计。

2.1 温度信息采集终端节点

2.1.1 硬件组成

温度数据采集节点主要由fever scout,DS18b20两种温度传感器以及CC2530射频芯片加外围数模转换电路组成,该节点具有可穿戴式、体积小、能耗低、测量准确等优点。其结构如图2所示。

为了使终端采集节点小型化,尽可能地减少外设,所以设计时采集节点模块不包含调试接口,设计电路板时采用扣板式,分为带CC2530芯片的主控制板和电源板,用排针将CC2530的相关引脚从主控制板引出,扣接到电源板上,使用时先将主控制板从电源板上取下,接到带有调试接口的电源扩展板上下载应用程序然后重新组装。

Fever Scout是一个由柔性硅树脂和聚氨酯制成的小贴片,含有VivaLnk eSkin电子皮肤,VivaLnk eSkin是嵌入平面微传感器的软膜,传感器可监测体温。它是由印刷工艺在薄膜基板上制成,厚度仅大约15μm,柔软可弯曲。灵敏度高达0.02℃,响应速度也高达100ms。贴片通过一次性医用敷料或胶带贴到新生儿身体腋下皮肤表面,从而实现对婴儿体温的实时测量。而DS18b20是一种单总线式数字温度传感器,精度可达到0.5,默认精度可达0.625,具有结构简单、成本低廉、便于扩展维护等特点[5],另外,DS18b20是温度-电流传感器,可有效提高系统抗干扰能力,实现对培养箱箱温的准确测量。

2.1.2 片上软件设计

温度信息采集终端节点的软件设计要满足以下几点:低功耗、快速反应、测量准确。本系统采用模块化设计,功能模块分为:中断处理模块、传感器驱动模块和通信协议模块。为了降低节点功耗,本系统采用休眠-唤醒的机制。当节点不工作时,节点处于休眠低功耗状态,当收到护士站PC端监护程序命令时,产生中断节点停止休眠,启动测量程序。驱动设计结合通信协议栈,严格控制时钟时序,迅速读出温度传感器的测量结果。

由于DSl8820测量具有一定的误差,所以本系统采用软件补偿的方法,使用最小二乘法优化测量结果。该方法常用于数据的优化,一般方法是寻找最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。本系统的做法是对给定的m个数据组(Xi,Yi)(i=0,l,…,m),其中Xi为测量值,Yi为真实值。采用函数拟合的方法求得函数f(X),使误差的平方根最小,其中误差ei=f(Xi)- Yi。本系统测量20组的测量值和真实值(Xi,Yi),按照线性关系拟合出函数f(X)=a(x)+b,通过实际测量可以将精度控制在±0.1。

2.2 协调器节点

协调器节点功能相当于智能网关,在本系统中可以作为网关与上位机通信的硬件,结构组成如图3所示,包括CC2530射频模块、仿真下载模块、开关指示电路、UART和USB接口等。与数据采集节点相比多了接口模块。接口模块用于与护士站PC端通信,设计UART和USB两种接口,使系统具有可扩展性。

软件实现按功能划分模块包括:网络建立模块、节点管理模块、数据接收模块、数据上传模块[6]。网络建立模块通过使用ZigBee通信协议,首先进行网络参数配置,然后寻找可利用信道,建立网络,最后是允许其他节点加入。节点管理模块负责节点的加入和脱离,给节点分配地址,使整个网络具有自适应性和自愈性。数据接收模块主要是通过协议栈回调函数,将数据采集节点或者路由节点发来的数据进行接收、整理,然后通过上传模块发送到护士站PC端监护应用程序接口中。

3 护士站监护软件设计

监护软件采用基于JSP开发技术的B/S架构。B/S架构即浏览器和服务器结构,在这种结构下,用户工作界面通过浏览器来实现,少部分事务逻辑在前端(Browser)实现,主要事务逻辑在服务器端(Server)实现,形成所谓三层3-tier结构。这种模式统一了客户端,将系统功能实现的核心部分集中到服务器上,简化了系统的开发、维护和使用。

通过JSP开发技术,用户在浏览器页面上就可以完成用户角色管理,协调器数据的读取,培养箱温度信息的曲线、表格展示,数据库存储、查找操作,数据分析和报警等功能。数据库采用MySQL关系型数据库,通过JDBC语句连接,关系数据库将数据保存在不同的表中,而不是将所有数据放在一个数据仓库内,这样就加快了速度并提高了灵活性。下面是对监护软件功能模块的简单介绍:

⑴ 用户角色管理

该软件定义两种操作角色:普通用户与管理员,可以实现对多用户的数据管理和操作。该模块可以实现不同角色用户的登录、注册,普通用户可以修改自己的用户名、密码等基本信息。管理员可以查看所用用户的信息以及网络情况。

⑵ 协调器数据读取

监护软件通过串口与协调器节点通信,该模块可以实现对串口的读写,串口参数配置,并分离出NICU培养箱的体温和箱温参数,传递给数据库操作模块和数据展示模块,进行数据存储和展示。

⑶ 数据展示和数据库操作模块

该模块将协调器发来的数据在浏览器页面上进行曲线、表格(体温单)展示,护士可以直观地看到病区内所有新生儿的实时体温和培养箱箱温。同时数据库操作模块将各种測量生理参数写入到用户数据库的相应数据表中。数据操作模块还提供增删改查功能,护士可以查找某个病人的指定时间段内的所有体温生理参数。

⑷ 数据分析和报警模块

该模块对数据进行初级分析判断,对新生儿体温和培养箱温度的异常数据,进行软件报警,同时将异常数据和相关信息写入到系统日志中,以便日后观察留底。同时该模块还具有数据导出、打印等功能。

4 结束语

本文采用无线传感网络技术、ZigBee技术、嵌入式技术和计算机技术研究设计的NICU培养箱温度无线监测系统,实现了网络数字化集中监控管理,NICU护士通过本系统,能实时了解病区内所有新生儿的体温和箱温状况,从而对突发情况作出及时反应。进一步满足临床对减少不良事件和设备安全使用的需求,提高了工作效率,对新生儿的体温监护形成保障。

同时该系统具有低成本、低功耗、测量准确、实用性强等特点,适合在各妇幼保健医院推广部署,具备较好的经济效益和社会价值。该设计在未来产品化过程中还需改进,主要有以下两点:

⑴ 设计更多可穿戴式无线生理参数采集节点,例如:心电、血氧饱和度、血压等生理参数,对新生儿进行全方位实时健康监护。

⑵ 协调器节点上增加3G/4G通信模块,实现ZigBee网络和3G/4G移动网络的融合,新生儿父母在监护中心外也能随时了解新生儿身体状况,帮助构建和谐的医患关系。

参考文献(References):

[1] ZigBee Alliance. ZigBee Specification[S],2010.

[2] 张大伟,陈佳品,冯洁,李振波,毛恩强.面向准危重病人的区

域化无线监护系统研制[J].仪器仪表学报,2014.35(1):74-81

[3] Texas Instruments. CC2530 Data Sheet[S],2010.

[4] 郑英,李香菊,王迷迷,张立珍.基于NTC和ZigBee技术的病

房病人体温监测系统设计[J].现代电子技术,2016.4:26-28

[5] 杨琳琳.基于ZigBee技术的体温监测系统的设计[J].河南师

范大学,2014.1:41-45

[6] 陈早维.基于嵌入式Web的ZigBee网关的设计与实现[D].杭

州电子科技大学硕士学位论文,2014.

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