智能病房無線檢測系統*

龍佳樂，凌鐘發，胡良沛，李潮平，關佩賢，吳永慎，何偉超

（1.五邑大學智能制造學部，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

病房環境對于病人來說至關重要，是身體恢復健康的必要條件之一。同時，病房環境的好與壞會對手術效果造成一定的影響。而一些重癥監護病房對病房內的環境溫濕度以及亮度都有嚴格要求，并非所有的溫濕度還有環境光線亮度都適合重癥病人養病[1]。隨著科技和生活水平的不斷提高，人們日益追求高品質的生活，現代醫療環境已不再被看作是單純的醫療活動空間，不僅僅局限于生物醫療科學，而是一個具有多學科交叉性的新醫療模式，該種人性化的“醫療環境”能夠有助于病人快速恢復健康。

由于ICU 病人治療的特殊性，病人家屬一般情況都無法進行探視，陪護工作也都是由專業的醫務人員進行；在病房門口等待的家屬也都不敢輕易離開，以至于會造成ICU 病房門口經常擁堵很多人，影響醫務人員的正常工作。而在病人整個治療過程中，家屬日夜守候在病房外，只能通過醫務人員了解病人的情況，心理也是十分焦急。經常會因為不能進入病房內陪護或探視病人的規定與醫院發生矛盾，給雙方造成不必要的麻煩[2]。

目前，中國的醫院病房看護等管理工作仍處于原始的人為干預階段。這種管理方法效率不夠高，而且需要的人力和物力比較大，跟不上現代醫學的快速發展步伐。如何實現醫院無線檢測以及自動化管理成為了當前一個亟待解決的問題。因此，本文基于該種背景下，設計并制作了一款智能病房無線檢測系統，希望在這一領域進行一些探索，以促進電子信息技術在該領域的應用。

1 硬件電路設計

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、氣體感應模塊、STM32F429IGT6最小系統模塊、CC2530最小系統模塊、指示燈模塊、STM32F103RGT6 最小系統模塊、SD 卡存儲模塊、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，其硬件電路結構圖如圖1所示。

圖1 硬件電路結構圖

CC2530 芯片驅動各個傳感器采集信息，然后通過ZigBee技術傳給STM32F103RGT6 芯片，接著STM32F103RGT6 芯片通過TFTLCD 將數據顯示出來并將數據存儲在SD 卡，方便日后查看數據，同時還通過串口通信將數據發送給電腦上位機。此外，STM32F429IGT6芯片驅動圖像傳感器即OV5640攝像頭采集病房的圖像數據通過SPI 接口傳給MT8266WIFI 模塊，然后MT8266WIFI 模塊通過WIFI 將圖像數據發送給電腦上位機進行顯示。

2 軟件程序設計

本文程序設計主要由以下幾部分組成：主控模塊程序設計、終端模塊程序設計、TFTLCD 模塊子程序設計、上位機軟件程序設計、溫濕度檢測功能子程序設計、病房環境亮度檢測功能子程序設計、病房畫面檢測功能子程序設計。

2.1 主控模塊程序設計

主控模塊程序設計主要分為兩部分：（1） 以STM32F103RGT6微處理器為主控器的主控模塊程序設計：用于接收ZigBee 網絡節點的溫濕度、環境亮度、氣體濃度和在TFTLCD 模塊上顯示數據等；（2）以STM32F429IGT6 微處理器作為主控器的主控模塊程序設計：用于攝像頭圖像采集和發送圖像至上位機。

2.1.1 STM32F103RGT6主控模塊程序設計

以STM32F103RGT6微處理器為主控器的主控模塊程序設計流程圖如圖2所示，其程序設計流程如下：

圖2 STM32F103RGT6主控模塊程序設計流程圖

（1）初始化硬件模塊，通過ZigBee 協調器建立ZigBee 無線網絡，以便路由器和終端節點能夠加入網絡；

（2）判斷ZigBee 無線網絡是否建立成功，若網絡建立失敗，則返回去執行硬件初始化；

（3）判斷是否有終端節點申請加入ZigBee網絡,當有終端節點申請加入時，分配一個16位的短地址；

（4）節點加入網絡后，等待接收終端模塊發送的傳感器數據，判斷數據是否在系統參數設置范圍內，若不在參數設定范圍內，則發出警報；

（5）在TFTLCD和電腦上位機上顯示接收到的數據。

2.1.2 STM32F429IGT6主控模塊程序設計

在設計時考慮到STM32F429IGT6 的SPI 接口通信速率比STM32F103RGT6 的快，因此選用STM32F429IGT6 控制WIFI模塊收發圖像和OV5640攝像頭采集圖像，實現病房的環境畫面檢測，其設計流程圖如圖3 所示。STM32F429IGT6 通過TCP/IP協議[3]與電腦上位機數據交互，并開啟UCOS系統[4]，實現多線程工作，主要有2 個線程任務：（1）圖像數據采集任務；（2）圖像數據傳輸任務。

圖3 STM32F429IGT6主控模塊程序設計流程圖

2.2 終端模塊程序設計

終端模塊以CC2530[5]模塊作為主控器，采集室內的溫濕度、環境亮度、其他濃度等數據，并通過連接入網絡，將數據發送至ZigBee[6-7]協調器上。首先，初始化終端節點并申請加入網絡，若加入失敗，則重新申請直至成功加入為止。加入網絡成功后，控制各個傳感器開始采集數據，并將數據發送至協調器上，直至檢測到協調器被關閉后，停止運行終端，終端模塊設計流程圖如圖4所示。

圖4 終端模塊設計流程圖

2.3 上位機設計

本位采用基于串口通信的上位機和基于網絡通信協議的上位機，由于傳感器數量較多，傳輸數據量較大，因此通過WIFI傳輸圖像和串口通信傳輸其余傳感器模塊數據。

2.3.1 串口上位機

本文采用Visual Basic 語言設計串口上位機，可快速便捷地接收來自單片機的數據，避免了繁瑣地設計串口協議，加快了開發過程和降低了上位制作的難度。串口上位機的程序流程圖如圖5所示。

2.3.2 網絡通信協議上位機

網絡通信協議上位機是用來顯示圖像畫面的，由于圖像數據比較多、比較大和串口接收數據的速率不夠快，若采用串口上位機接收并顯示會存在嚴重的視頻延時問題。該上位機采用WIFI 通信[8]的方式與單片機進行數據交互，網絡通信協議上位機流程圖如圖6所示。

圖5 串口上位機的程序流程圖

圖6 網絡通信協議上位機流程圖

3 系統測試

圖7 所示為串口上位機的界面，包括了登錄界面、數據查看界面和歷史數據查看界面。

圖8所示為TFT LCD界面監測數據顯示。

圖8 TFT LCD界面顯示數據

4 結束語

本文基于當前人們對病房環境的要求，設計了一款智能病房無線檢測系統，實現了對病房的溫濕度、環境亮度、氣體濃度的實時檢測，并可通過攝像頭對病人進行實時的可視化監測，滿足了當前病人家屬對遠程照看陪伴病人的需求，減輕了看護病人的壓力和難度。