龍佳樂，凌鐘發(fā)，胡良沛，李潮平，關(guān)佩賢，吳永慎，何偉超

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020，2.恩平市蘭格電子有限公司，廣東江門 529400）

0 引言

病房環(huán)境對(duì)于病人來說至關(guān)重要，是身體恢復(fù)健康的必要條件之一。同時(shí)，病房環(huán)境的好與壞會(huì)對(duì)手術(shù)效果造成一定的影響。而一些重癥監(jiān)護(hù)病房對(duì)病房?jī)?nèi)的環(huán)境溫濕度以及亮度都有嚴(yán)格要求，并非所有的溫濕度還有環(huán)境光線亮度都適合重癥病人養(yǎng)病[1]。隨著科技和生活水平的不斷提高，人們?nèi)找孀非蟾咂焚|(zhì)的生活，現(xiàn)代醫(yī)療環(huán)境已不再被看作是單純的醫(yī)療活動(dòng)空間，不僅僅局限于生物醫(yī)療科學(xué)，而是一個(gè)具有多學(xué)科交叉性的新醫(yī)療模式，該種人性化的“醫(yī)療環(huán)境”能夠有助于病人快速恢復(fù)健康。

由于ICU 病人治療的特殊性，病人家屬一般情況都無(wú)法進(jìn)行探視，陪護(hù)工作也都是由專業(yè)的醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行；在病房門口等待的家屬也都不敢輕易離開，以至于會(huì)造成ICU 病房門口經(jīng)常擁堵很多人，影響醫(yī)務(wù)人員的正常工作。而在病人整個(gè)治療過程中，家屬日夜守候在病房外，只能通過醫(yī)務(wù)人員了解病人的情況，心理也是十分焦急。經(jīng)常會(huì)因?yàn)椴荒苓M(jìn)入病房?jī)?nèi)陪護(hù)或探視病人的規(guī)定與醫(yī)院發(fā)生矛盾，給雙方造成不必要的麻煩[2]。

目前，中國(guó)的醫(yī)院病房看護(hù)等管理工作仍處于原始的人為干預(yù)階段。這種管理方法效率不夠高，而且需要的人力和物力比較大，跟不上現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展步伐。如何實(shí)現(xiàn)醫(yī)院無(wú)線檢測(cè)以及自動(dòng)化管理成為了當(dāng)前一個(gè)亟待解決的問題。因此，本文基于該種背景下，設(shè)計(jì)并制作了一款智能病房無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，希望在這一領(lǐng)域進(jìn)行一些探索，以促進(jìn)電子信息技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本文硬件電路主要由DHT11 溫濕度傳感器模塊、人體紅外傳感器模塊、光敏傳感器模塊、氣體感應(yīng)模塊、STM32F429IGT6最小系統(tǒng)模塊、CC2530最小系統(tǒng)模塊、指示燈模塊、STM32F103RGT6 最小系統(tǒng)模塊、SD 卡存儲(chǔ)模塊、TFTLCD模塊、MT8266WIFI模塊、電源模塊、OV5640圖像傳感器模塊、輕觸按鍵模塊、USB接口模塊、IAR XLink接口模塊、Jlink接口模塊和SWD下載接口模塊組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

CC2530 芯片驅(qū)動(dòng)各個(gè)傳感器采集信息，然后通過ZigBee技術(shù)傳給STM32F103RGT6 芯片，接著STM32F103RGT6 芯片通過TFTLCD 將數(shù)據(jù)顯示出來并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD 卡，方便日后查看數(shù)據(jù)，同時(shí)還通過串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦上位機(jī)。此外，STM32F429IGT6芯片驅(qū)動(dòng)圖像傳感器即OV5640攝像頭采集病房的圖像數(shù)據(jù)通過SPI 接口傳給MT8266WIFI 模塊，然后MT8266WIFI 模塊通過WIFI 將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給電腦上位機(jī)進(jìn)行顯示。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

本文程序設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成：主控模塊程序設(shè)計(jì)、終端模塊程序設(shè)計(jì)、TFTLCD 模塊子程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)、溫濕度檢測(cè)功能子程序設(shè)計(jì)、病房環(huán)境亮度檢測(cè)功能子程序設(shè)計(jì)、病房畫面檢測(cè)功能子程序設(shè)計(jì)。

2.1 主控模塊程序設(shè)計(jì)

主控模塊程序設(shè)計(jì)主要分為兩部分：（1） 以STM32F103RGT6微處理器為主控器的主控模塊程序設(shè)計(jì)：用于接收Z(yǔ)igBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫濕度、環(huán)境亮度、氣體濃度和在TFTLCD 模塊上顯示數(shù)據(jù)等；（2）以STM32F429IGT6 微處理器作為主控器的主控模塊程序設(shè)計(jì)：用于攝像頭圖像采集和發(fā)送圖像至上位機(jī)。

2.1.1 STM32F103RGT6主控模塊程序設(shè)計(jì)

以STM32F103RGT6微處理器為主控器的主控模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，其程序設(shè)計(jì)流程如下：

圖2 STM32F103RGT6主控模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

（1）初始化硬件模塊，通過ZigBee 協(xié)調(diào)器建立ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以便路由器和終端節(jié)點(diǎn)能夠加入網(wǎng)絡(luò)；

（2）判斷ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是否建立成功，若網(wǎng)絡(luò)建立失敗，則返回去執(zhí)行硬件初始化；

（3）判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，分配一個(gè)16位的短地址；

（4）節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，等待接收終端模塊發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置范圍內(nèi)，若不在參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，則發(fā)出警報(bào)；

（5）在TFTLCD和電腦上位機(jī)上顯示接收到的數(shù)據(jù)。

2.1.2 STM32F429IGT6主控模塊程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到STM32F429IGT6 的SPI 接口通信速率比STM32F103RGT6 的快，因此選用STM32F429IGT6 控制WIFI模塊收發(fā)圖像和OV5640攝像頭采集圖像，實(shí)現(xiàn)病房的環(huán)境畫面檢測(cè)，其設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。STM32F429IGT6 通過TCP/IP協(xié)議[3]與電腦上位機(jī)數(shù)據(jù)交互，并開啟UCOS系統(tǒng)[4]，實(shí)現(xiàn)多線程工作，主要有2 個(gè)線程任務(wù)：（1）圖像數(shù)據(jù)采集任務(wù)；（2）圖像數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

圖3 STM32F429IGT6主控模塊程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 終端模塊程序設(shè)計(jì)

終端模塊以CC2530[5]模塊作為主控器，采集室內(nèi)的溫濕度、環(huán)境亮度、其他濃度等數(shù)據(jù)，并通過連接入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee[6-7]協(xié)調(diào)器上。首先，初始化終端節(jié)點(diǎn)并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，若加入失敗，則重新申請(qǐng)直至成功加入為止。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，控制各個(gè)傳感器開始采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器上，直至檢測(cè)到協(xié)調(diào)器被關(guān)閉后，停止運(yùn)行終端，終端模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 終端模塊設(shè)計(jì)流程圖

2.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本位采用基于串口通信的上位機(jī)和基于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的上位機(jī)，由于傳感器數(shù)量較多，傳輸數(shù)據(jù)量較大，因此通過WIFI傳輸圖像和串口通信傳輸其余傳感器模塊數(shù)據(jù)。

2.3.1 串口上位機(jī)

本文采用Visual Basic 語(yǔ)言設(shè)計(jì)串口上位機(jī)，可快速便捷地接收來自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，避免了繁瑣地設(shè)計(jì)串口協(xié)議，加快了開發(fā)過程和降低了上位制作的難度。串口上位機(jī)的程序流程圖如圖5所示。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上位機(jī)

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上位機(jī)是用來顯示圖像畫面的，由于圖像數(shù)據(jù)比較多、比較大和串口接收數(shù)據(jù)的速率不夠快，若采用串口上位機(jī)接收并顯示會(huì)存在嚴(yán)重的視頻延時(shí)問題。該上位機(jī)采用WIFI 通信[8]的方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上位機(jī)流程圖如圖6所示。

圖5 串口上位機(jī)的程序流程圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上位機(jī)流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

圖7 所示為串口上位機(jī)的界面，包括了登錄界面、數(shù)據(jù)查看界面和歷史數(shù)據(jù)查看界面。

圖8所示為TFT LCD界面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示。

圖8 TFT LCD界面顯示數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于當(dāng)前人們對(duì)病房環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)了一款智能病房無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病房的溫濕度、環(huán)境亮度、氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可通過攝像頭對(duì)病人進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化監(jiān)測(cè)，滿足了當(dāng)前病人家屬對(duì)遠(yuǎn)程照看陪伴病人的需求，減輕了看護(hù)病人的壓力和難度。