葉曉晶

（福建警察學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息安全管理系 福建省福州市 350000）

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速進(jìn)步，延伸出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)這一信息承載體，使得所有可以尋址的普通物理對(duì)象變得互聯(lián)互通，并且這種互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)間、任何地點(diǎn)相連?；谶@樣的特點(diǎn)，其在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)有工業(yè)的地方就有物聯(lián)網(wǎng)。5G 技術(shù)的成熟推廣、康復(fù)與養(yǎng)老需求的銳增，讓智慧醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療在大型醫(yī)院逐漸普及，誕生了醫(yī)療健康與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的健康IoT 行業(yè)，因貼近消費(fèi)者且應(yīng)用場(chǎng)景高頻次從而受到各國(guó)政府的關(guān)注與資本的青睞。后疫情時(shí)代，智能健康IoT 成為體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及健康管理服務(wù)的入口。據(jù)Markets and Markets 分析，2020 年全球IoMT 市場(chǎng)規(guī)模為725 億美元，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝量在1.61億，單從市場(chǎng)產(chǎn)值和連接設(shè)備來(lái)看，健康IoT 在萬(wàn)億物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中仍然處于新生階段。專家預(yù)測(cè)2025 年全球醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1882 億美元。中國(guó)信通院認(rèn)為，未來(lái)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)有望成為我國(guó)僅次于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的第二大物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。根據(jù)IDC 統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前醫(yī)療健康物聯(lián)網(wǎng)的硬件組件數(shù)目龐大(30.6%)，智慧醫(yī)療設(shè)備也是IoMT 市場(chǎng)中規(guī)模最大的細(xì)分領(lǐng)域(33%)。2020年10月國(guó)務(wù)院三部委發(fā)布的《智慧健康養(yǎng)老產(chǎn)品及服務(wù)推廣目錄》中，明確展示了可穿戴健康管理設(shè)備、便攜式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、自助式健康檢測(cè)設(shè)備、智能養(yǎng)老監(jiān)護(hù)設(shè)備、家庭服務(wù)機(jī)器人五大品類共118 項(xiàng)健康IoT 產(chǎn)品。健康監(jiān)測(cè)設(shè)備通常用來(lái)提高診斷治療的效率和精度，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的行為與健康狀況，來(lái)簡(jiǎn)化醫(yī)療工作者在臨床處理信息的流程，并作出及時(shí)干預(yù)。

NB-IoT 作為IoT 領(lǐng)域基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的一種新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，NB-IoT 作為低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)中的突出技術(shù)，支持待機(jī)時(shí)間短、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接廣泛應(yīng)用于各種垂直行業(yè)，為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大動(dòng)力，并且其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)能夠滿足智慧醫(yī)療設(shè)備的要求。

1 智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示，系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由傳感器模塊，包含血氧傳感器，用來(lái)測(cè)血氧功能，事實(shí)上是通過(guò)測(cè)量人體動(dòng)脈血氧飽和度來(lái)判斷是否健康，血氧飽和度具體是指血液中與氧氣結(jié)合的血紅蛋白含量占比，即血液中血氧的濃度。傳統(tǒng)的血氧測(cè)量方法，需要先采血，在經(jīng)過(guò)血?dú)夥治鰞x進(jìn)行電化學(xué)分析，最終得出血樣飽和度，如今采用無(wú)創(chuàng)式血氧測(cè)量，血氧測(cè)量模塊選用的是MAX30102 傳感器，它的工作原理是根據(jù)血液中氧合血紅蛋白和脫氧合血紅蛋白對(duì)紅光和紅外光的吸收率不同的特點(diǎn)，進(jìn)行分析處理。紅外體溫傳感器選用的是MLX90614 系列測(cè)溫模塊，具有非接觸和精度高的特點(diǎn)，測(cè)溫原理是物體表面溫度對(duì)紅外輻射能量的大小和波長(zhǎng)的分布有影響。電容式輸液傳感器是由555 定時(shí)器電路及其周圍電路組成，原理是液體的流動(dòng)會(huì)改變電壓值，收集從ANA OUT 引腳和地線引腳之間傳輸過(guò)來(lái)的電壓差，將變化值傳入處理器分析可判斷有無(wú)液體流動(dòng)。通過(guò)這些傳感器源源不斷的采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳入微控制器中，使用的是STM32 為主控制器，所有的控制指令都是從MCU 電路發(fā)出去執(zhí)行的，其有著片上資源豐富、性價(jià)比超高的特點(diǎn)，比如具有休眠、待機(jī)功能，使得功耗降低。本系統(tǒng)使用的電源系統(tǒng)是多功能的，既可以進(jìn)行充電使用，也為了避免突然斷電而準(zhǔn)備的備用電池，使用的是3.7V 的鋰電池，NB-IoT 電路設(shè)計(jì)使用的是LDO 作為供電電源，通過(guò)LDO 來(lái)調(diào)配出各個(gè)元器件所需的5V 和3.3V 的電壓。顯示屏可以將重要的信息進(jìn)行顯示，方便操作員進(jìn)行觀察，能夠直觀的將系統(tǒng)狀況進(jìn)行展示。

圖1： 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)圖

1.2 溫度測(cè)量模塊硬件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的測(cè)溫方式采用的是接觸式，典型的就是溫度計(jì)，通過(guò)溫度計(jì)里面的液體在于物體接觸后，將物體的溫度進(jìn)行熱傳遞，利用固體、液體、氣體受溫度的影響而熱脹冷縮等的現(xiàn)象，就可以計(jì)算出所接觸的物體溫度。傳統(tǒng)的測(cè)溫方式最大的問(wèn)題就是時(shí)間問(wèn)題，當(dāng)溫度需要達(dá)到穩(wěn)定時(shí)才能準(zhǔn)去讀出數(shù)據(jù)，于是本系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)溫方式，測(cè)溫原理是利用物體表面溫度對(duì)紅外輻射能量的大小和波長(zhǎng)分布的影響，因此通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，并且有很多優(yōu)點(diǎn)，由于本系統(tǒng)是面向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的，在測(cè)量時(shí)優(yōu)勢(shì)在于不用直接接觸到患者，這就一定程度上避免傳染危險(xiǎn)，保障醫(yī)療工作者自身安全，而且可以快速測(cè)溫、準(zhǔn)確讀數(shù)，用于快速排查大批量的人群。另外，利用激光定位，能夠準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)部位的溫度，可測(cè)額頭、腋下、體表等各處體溫。

1.3 功能設(shè)計(jì)

1.3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由血壓、體溫心電血氧二合一傳感器組成，分別采集人體的收縮壓/舒張壓、體溫、心電頻率和血氧飽和度，在準(zhǔn)確的心電頻率和血氧飽和度下，通過(guò)算法計(jì)算出呼吸頻率的值。

1.3.2 手機(jī)APP

該移動(dòng)應(yīng)用程序作為遠(yuǎn)程醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)的終端設(shè)備。監(jiān)控終端通過(guò)連接藍(lán)牙設(shè)備接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將數(shù)據(jù)界面化，同時(shí)可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分享，遠(yuǎn)程交互，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及信息云端管理等。

1.3.3 生理信號(hào)采集

本系統(tǒng)體溫傳感器采用DS18B20 數(shù)字傳感模塊，采集人體腋下溫度，在檢測(cè)體溫時(shí)，應(yīng)將體溫傳感器的金屬探頭置于腋下，待檢測(cè)到的溫度穩(wěn)定后，讀取體溫值。

心電圖和血氧二合一傳感器采集人體的心率和血氧飽和度。該傳感器采用三級(jí)導(dǎo)線設(shè)計(jì)來(lái)采集心率。結(jié)果數(shù)據(jù)包括心率和5 個(gè)心電圖波形值。血氧飽和度由數(shù)字血氧探頭測(cè)量。探頭發(fā)出的紅外光照射手指紅細(xì)胞，由探頭射出的紅外光照射手指血紅細(xì)胞，從而計(jì)算血氧飽和度。血壓傳感器采用KB-08B 模塊，主要通過(guò)氣泵的充氣和放氣，檢測(cè)被通氣管擠壓的手臂血管的壓力變化，計(jì)算收縮壓和舒張壓的具體值。與其他傳感器不同，血壓傳感器不需要4 小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)智能終端發(fā)送的命令啟動(dòng)碼來(lái)決定是否啟動(dòng)測(cè)量。

2 智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成各個(gè)硬件的驅(qū)動(dòng)和LiteOS 任務(wù)，這兩個(gè)部分通過(guò)main.c 文件進(jìn)行有機(jī)連接，在主函數(shù)文件中，HardWare_Init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是要對(duì)硬件設(shè)備的進(jìn)行初始化操作，目的是將一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，為系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備。LOS_KernelInit()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)開(kāi)始初始化，將系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行預(yù)設(shè)；LOS_Start()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能是開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)，使系統(tǒng)一直循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，不斷地驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和執(zhí)行。

硬件驅(qū)動(dòng)的程序放在Hardware 文件夾中，里面存放的是體溫傳感器的Temp 文件夾，輸液傳感器Infusion 文件夾和血氧傳感器的BloodO2 文件夾，作為硬件的接口，操作系統(tǒng)通過(guò)這個(gè)接口控制各種傳感器工作，使得計(jì)算機(jī)能夠和硬件設(shè)備進(jìn)行相互通信。系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)是傳感器采集而來(lái)的血氧、體溫和輸液狀態(tài)三種數(shù)據(jù)，為了更好的傳輸，先定義好一個(gè)存放數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體變量，然后經(jīng)過(guò)修飾符將此結(jié)構(gòu)體變量傳遞到采集函數(shù)中，形成與采集函數(shù)之間的信息通道。

本系統(tǒng)的任務(wù)代碼存放在工程目錄Demos 文件夾下的HealthTask 文件夾，名為HealthTask.c，其作用是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，即傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后將信息送到處理器中進(jìn)行分析處理，最后將需要顯示的信息通過(guò)硬件顯示模塊進(jìn)行展示。

2.2 NB-IoT模組軟件設(shè)計(jì)

對(duì)NB-IoT 模組的調(diào)控通過(guò)AT 指令完成。AT 指令是用來(lái)控制TE 和MT 之間的通信規(guī)則的。在本模組中，USER就代表著使用者，TE 使用的是PC 端的串口調(diào)試工具，MT為該模組BC 35G，對(duì)NB-IoT 模組的調(diào)試與控制示意圖如圖2 所示。使用AT 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)NB-IoT 模組的各項(xiàng)功能并對(duì)其行為進(jìn)行操控，還可以將終端設(shè)備與PC 應(yīng)用之間的進(jìn)行交互。

圖2： AT 命令控制示意圖

2.3 智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，其作用是通過(guò)各種傳感器對(duì)患者實(shí)時(shí)進(jìn)行信息采集，然后控制器再將傳感器的信息讀取，接著將采集的信息傳遞到后臺(tái)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得患者家屬或醫(yī)護(hù)工作者能夠?qū)颊咔闆r有及時(shí)的了解；同時(shí)也可以接收到服務(wù)器傳來(lái)的指令，然后進(jìn)行信息的反饋，真正的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

控制器對(duì)生命體征傳感器的數(shù)據(jù)讀取都是通過(guò)RS485 通信方式實(shí)現(xiàn)的，采用RS485 通信帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)，不僅穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)，而且采用的是主從通信模式，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)，控制器作為主機(jī)通過(guò)廣播地址的方式獲取相應(yīng)地址的傳感器應(yīng)答。數(shù)據(jù)采集終端的控制器通過(guò)RS485 總線接口電路與患者生命體征傳感器連接，通過(guò)發(fā)送RS485 指令讀取相應(yīng)地址的傳感器的數(shù)據(jù)，讀取生命體征部分代碼如下：

數(shù)據(jù)采集模塊可以通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)患者的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)中心可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取最近一周的數(shù)據(jù)，并通過(guò)一定的算法處理使數(shù)據(jù)可視化，從而更好地觀察患者觀察體溫、血氧、輸液情況在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。

2.4 終端驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端驅(qū)動(dòng)程序流程如圖3 所示。系統(tǒng)初始化并通電后，首先執(zhí)行啟動(dòng)檢查，主要是網(wǎng)絡(luò)連接。如果上位機(jī)平臺(tái)此時(shí)未接收到來(lái)自NB-IoT 終端的數(shù)據(jù)，則網(wǎng)絡(luò)連接失敗，終端進(jìn)入休眠狀態(tài)。五分鐘后再次嘗試身份驗(yàn)證。如果啟動(dòng)成功，上位機(jī)平臺(tái)將向NB-IoT 終端發(fā)送預(yù)置的配置指令。配置完成后，終端將認(rèn)證信息和報(bào)警閾值、檢測(cè)周期、定位數(shù)據(jù)等初始化參數(shù)發(fā)送到上位機(jī)平臺(tái)。如果沒(méi)有異常發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)定期收集和上報(bào)該檢查期間的數(shù)據(jù)。

圖3： 終端驅(qū)動(dòng)程序流程

3 智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室完成，每次屏幕更新數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔平均為7.136 秒，這個(gè)時(shí)間為硬件終端完成所有任務(wù)所需要的一輪時(shí)間。傳感器的測(cè)試分為三個(gè)部分：血氧傳感器、體溫傳感器和輸液傳感器的測(cè)量測(cè)試。

3.1 溫度模塊測(cè)試

本設(shè)計(jì)在溫度數(shù)據(jù)比對(duì)上選用腋窩電子體溫計(jì)和電子額溫槍對(duì)比。記錄如表1 所示。

表1： 體溫測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1 中的數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)體溫計(jì)測(cè)試結(jié)果與腋窩溫度計(jì)的讀數(shù)較為接近，誤差控制在0.2±0.1℃，如果以腋窩溫度計(jì)為測(cè)量基準(zhǔn)，則能夠達(dá)到誤差在±0.2℃的要求；而額溫槍的測(cè)量數(shù)值普遍偏小1 至2℃，與腋窩溫度計(jì)偏差較大。因此本系統(tǒng)體溫計(jì)有更好的數(shù)據(jù)表現(xiàn)，更加接近腋窩溫度計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.2 血氧模塊測(cè)試

本設(shè)計(jì)選用指夾式脈搏血氧儀和某公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)手環(huán)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于指夾式脈搏血氧儀要同時(shí)測(cè)量顯示脈搏和血氧數(shù)據(jù)，在反應(yīng)時(shí)間上會(huì)慢于本設(shè)計(jì)中的血氧測(cè)量設(shè)備。在系統(tǒng)上電穩(wěn)定的狀態(tài)下，從被測(cè)者手指就位到第一條血氧數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，指夾式脈搏血氧儀需要12 秒左右，本系統(tǒng)設(shè)備僅需要6 秒左右。運(yùn)動(dòng)手環(huán)所需時(shí)間與本設(shè)計(jì)設(shè)備相近。表2 是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的一組血氧數(shù)據(jù)。

表2： 血氧測(cè)試數(shù)據(jù)表

由于對(duì)比設(shè)備指夾式脈搏血氧儀和運(yùn)動(dòng)手環(huán)只顯示整數(shù)型血氧數(shù)據(jù)，而本設(shè)計(jì)中使用的血氧算法可以達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后兩位的精度，因此只能將測(cè)量結(jié)果作為一個(gè)參考。指夾式血氧儀與本系統(tǒng)血氧設(shè)備數(shù)據(jù)組之間的差別范圍在0.51%-1.89%之間；運(yùn)動(dòng)手環(huán)與本系統(tǒng)血氧設(shè)備數(shù)據(jù)組之間的差別范圍在0.11%-0.95%之間。整體來(lái)說(shuō)，三者的測(cè)量結(jié)果較為接近，本設(shè)計(jì)的測(cè)量結(jié)果與運(yùn)動(dòng)手環(huán)測(cè)得的血氧數(shù)據(jù)更加接近，本設(shè)計(jì)的血氧測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.3 輸液監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試

在輸液監(jiān)測(cè)上，選擇將電容傳感器貼近被測(cè)輸液管滴壺上部長(zhǎng)度7cm 范圍內(nèi)的輸液管。對(duì)ADC 采樣閾值做測(cè)試，并將ADC的采樣數(shù)據(jù)3200作為判斷輸液是否完畢的臨界點(diǎn)，在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)輸液監(jiān)測(cè)器可以及時(shí)檢測(cè)到輸液完畢，并在12 秒內(nèi)將輸液完成的消息上報(bào)到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)顯示在NB-IoT 終端屏幕上。

4 結(jié)語(yǔ)

由監(jiān)測(cè)需求和遠(yuǎn)程同步數(shù)據(jù)需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT 的智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)主要功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示本設(shè)計(jì)不僅能夠滿足所提出的需求，較為精確地監(jiān)測(cè)出了人體的體表溫度、血氧含量以及輸液狀態(tài)，并且降低了硬件終端的功耗。該系統(tǒng)整體操作簡(jiǎn)單，通信準(zhǔn)確可靠，使用方法簡(jiǎn)便。該智慧醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能有效地改善醫(yī)療資源匱乏等問(wèn)題，對(duì)提高社會(huì)醫(yī)療服務(wù)水平有積極的作用。