基于物聯網的新生兒培養箱外環境監測報警裝置的設計

紀志峰，孫小磊，羊月祺，金奇

江蘇省人民醫院 臨床醫學工程處，南京 江蘇 210029

引言

新生兒培養箱又稱嬰兒暖箱，廣泛應用于醫院的新生兒室、產科、兒童重癥監護病房（Pediatric Intensive Care Unit，PICU）等科室，主要為早產兒、低體重新生兒和病危兒提供一個恒溫、恒濕的類似母體宮腔的環境，可用于體溫復蘇、恒溫培養、輸氧、輸液、搶救、住院觀察等。它的穩定運行與安全規范使用對保障新生兒的人身安全至關重要[1]。而在臨床使用中，存在培養箱使用不規范、放置位置不合理、保養巡檢不到位等諸多問題，因此加強科室使用人員的培訓、合理放置培養箱以及定期進行預防性維護等需落實到位[2]。除此以外，培養箱在臨床應用中的特殊性，要求在使用過程中需密切關注設備運行外環境的穩定性，尤其是對溫濕度的要求極其嚴格。根據JJF 1260-2010《嬰兒培養箱校準規范》可知，環境溫度處于20～26 ℃時，控制溫度應大于環境溫度3 ℃，溫度超調量不超過2 ℃，環境濕度應處于30%～85%[3]，以此避免使用中不良事件發生。國家藥品監督管理局發布的不良事件通報，關注嬰兒培養箱的使用風險顯示：自2002年1月至2011年10月，國家藥品不良反應監測中心共收到培養箱可疑醫療器械不良事件報告332份，主要表現為溫度失控、通風 系統故障、皮疹、劃傷等，其中溫度失控167例、通風系統故障50例、劃傷4例[4]。在這些不良事件中，溫度失控導致的不良事件發生的比例最大，所以合乎規范的溫濕度條件對安全使用培養箱顯得尤為重要[5]。

目前在我院科室的實際使用中，溫度異常、濕度無法下降是最常見的故障。通常情況下，醫務人員會將溫度異常的培養箱移至設備間等待檢修。在檢修中發現，大多數故障設備，通過各種檢測手段和工具進行測試，均無任何異常。此類高溫報錯頻繁發生，不僅增加了醫務人員不必要的負擔，也影響了科室工作高效有序地開展。

經過多次觀察實驗與維修可知，除自身原因外，溫度報警主要是由兩個外部因素（光照過強、環境溫度異常）導致。以重癥監護室為例：① 監護室東側南側墻壁為透明玻璃幕墻，雖無陽光直射，仍光照強烈，培養箱內部因溫室效應，設定溫度與實際溫度差高達3～5 ℃，當培養箱位于陽光照射下時，溫差更大；② 重癥監護室空間大，中央空調出風口較多，氣流直吹的區域溫度過高（過低），無法達到環境要求。

針對以上問題，本文利用ESP8266 Wi-Fi芯片連接光照傳感器與溫濕度傳感器，設計了一種新生兒培養箱外環境監測報警裝置。依托物聯網平臺，通過上傳數據，設定閾值，給出警報與提供數據查看功能[6-7]，避免培養箱外環境的異常導致頻繁報警。

1 系統概述

1.1 系統總體設計

本文中新生兒培養箱外環境監測報警裝置主要由控制芯片、光照傳感器、溫濕度傳感器、蜂鳴器、物聯網云平臺和手機端組成[8]，其總體框架如圖1所示。該裝置使用控制芯片，對傳感器采集的數據進行處理[9]。超過設定閾值時，蜂鳴器立即報警，第一時間警示醫務人員進行處理。同時無線模塊連接Wi-Fi，將采集的光照強度、溫濕度數據上傳至云平臺，記錄、處理的同時可將信息以數字和圖表化雙重模式直觀顯示。通過設置觸發器，發送報警郵件給相關人員進行后續處理，醫務人員和工程師可以在手機和PC端進行實時監測與歷史數據的查詢。

圖1 系統總體框架圖

該裝置報警功能由兩部分組成：① 現場報警，通過蜂鳴器報警提示臨床科室使用人員，當光強或溫度超過設定閾值達5 min，發出警報，需檢查并消除接下來可能出現的高溫和“故障”現象；② 遠程實時報警，通過郵件報警方式，主要是面向工程技術人員。工程技術人員可在手機端進行歷史數據的查詢，然后分析判斷高溫高濕的故障是否為環境異常所致。

對于該裝置中的手機端，根據使用人員的不同分為兩款APP：① 新生兒培養箱外環境監測軟件，基于安卓系統。主要面向醫務工作者，只具有環境數據的實時監測功能，簡單實用；② OneNET設備云，主要面向工程技術人員，具有環境數據的實時監測功能外，還可以查閱詳細歷史數據和圖表信息，生成的大數據可作為設備管理、故障預判、成本分析等的重要數據源。

1.2 報警限值設定

根據標準，培養箱外部溫度范圍在20～30 ℃。外部濕度不做要求，因此只監測，不做報警設置。雖然標準中并未對光照強度有明確規定，但光的變化會對箱內溫度產生較大影響。異常光強會導致箱內溫度升高，因此光強報警限值的合理設定對監測培養箱狀態至關重要。

本文通過多次測量各項指標正常的新生兒培養箱，對其光照與箱內溫度比較而后得到合理限值。為保證所取限值的合理性及科學性，將室內溫度統一調整為25℃，設定培養箱內溫度初值為32 ℃，而后逐漸增加外部光強同時記錄箱內的溫度變化。實驗所得如表1所示，隨著光強增強，箱內溫度也在逐漸升高，當箱內溫度達到34 ℃的極限值時，光照強度為4175 lux。繼續增加光照，箱內溫度已超出正常值，最大差值達4.1 ℃。在多次測量后將光強報警值設置為4200 lux。

表1 光強與溫度變化

2 系統硬件設計

2.1 控制芯片

ESP8266WI-FI芯片是樂鑫公司設計的一款Wi-Fi模塊芯片，包括集成處理器、數字外設接口、天線開關等，具有價格低、性能穩定等優點[10]，既可作為MCU進行數據的處理與控制，又可通過Wi-Fi模塊聯網上傳數據。芯片以NodeMCU 1.0板為開發平臺，通過IIC協議接收光照傳感器的數據，采用單總線接收溫濕度傳感器的溫、濕度數據，并對采集到的三種數據進行分析處理。設置安全閾值，數值過高時，蜂鳴器發出預警。并將采集整合后的數據上傳至云平臺，發送相關信息至客戶端。

2.2 光照傳感器

本裝置采用光強度模塊GY-30作為光照傳感器，是一種通過IIC總線進行通訊的集成電路芯片。目前設計有一個光照傳感器，置于箱體的傳感器盒旁。當有采集數據超過閾值時，即認為有過強光照射。傳感器的光強范圍為1-65535 lux，有接近視覺靈敏度的光譜特性，工作溫度為-40～+85 ℃，內置AD轉換器，可對光照度進行數字轉換。功耗低、響應速度快，能滿足外部檢測的需求。

2.3 溫濕度傳感器

本裝置采用溫濕度傳感器AM2302，內部使用負溫度系數的熱敏電阻作測溫元件，電容式感濕元件測量相對濕度。考慮溫濕度的影響主要來源于上方的空調出風口，所以將溫濕度傳感器放置在培養箱箱頂正中間，用以檢測外部溫濕度是否適宜。其溫度測量范圍為-40～80 ℃，測量分辨率達0.1 ℃。濕度測量誤差為±2%RH，采用單總線進行數據的回傳，功耗低、抗干擾能力強[11]。

2.4 蜂鳴器

本裝置采用無源蜂鳴器用于報警，通過ULN2003D芯片放大信號電流，給蜂鳴器供電，詳見圖2。芯片IO口輸出高低電平，形成直流脈沖，通過調節占空比而發出兩種不同音調的報警聲，用以區分培養箱外部的光照和高溫報警。

圖2 蜂鳴器

3 系統軟件設計

本裝置軟件設計主要有控制端、云平臺和手機端三個部分，軟件框架如圖3所示：① 控制端：收集光照、溫度、濕度數據通過控制芯片連接Wi-Fi后與OneNET云平臺進行通訊，采用HTTP協議進行數據傳輸；② 云平臺：接收數據流并對數據流進行分類、儲存，同時設置觸發器發送遠程預警信息等；③ 手機端：使用OneNET自帶的設備云，或開發的安卓專用APP，利用云平臺分配的API接口獲取數據，進行設備狀態的實時監測與歷史查詢。

圖3 軟件框架圖

3.1 控制端

控制端使用ESP8266WI-FI芯片、基于Arduino IDE的開發板NodeMCU 1.0平臺，采用C語言編程。Arduino平臺提供了大量傳感器開源庫，使用者可以簡單地移植到自己所需的開發板上。控制端軟件流程如圖4所示，控制板開始工作后，調用光照傳感器庫函數＜BH1750FVI＞和溫濕度傳感器庫函數＜DHTesp＞并對其初始化，通過應用程序控制終端采集數據、連接Wi-Fi后與云平臺通訊。檢測成功后，合成需要的JSON數據流[12]，每分鐘上傳一次。最后判斷測量值是否超過閾值，并進行報警。

圖4 軟件流程圖

3.2 云平臺

本文報警裝置選用的物聯網云平臺是中國移動的OneNET，可提供多種協議、API和應用模板以及支持種類眾多傳感器與智能硬件的快速接入[13]。接入云平臺流程有如下幾步：① 添加設備：通過HTTP添加設備，新建數據流；完成后云平臺會自動分配三個標識：設備ID、API地址和APIKey，控制端通過這三個標識發送數據至云平臺；② 觸發器管理：在觸發器管理界面，選擇數據流、觸發條件以及接收方式，接收路徑選擇郵件接收；③ 傳輸協議：利用HTTP協議只接收數據，符合本報警裝置需要。如圖5所示服務器地址為：183.230.40.33端口號為80，設置成功后，即可上傳數據至云平臺，通過判斷條件是否繼續上傳以及觸發器報警[14]。

圖5 HTTP接入流程圖

3.3 手機客戶端

3.3.1 新生兒培養箱環境監測APP

本報警裝置基于安卓系統的手機端，利用App Inventor軟件開發，工程師無需面對復雜的代碼僅需積木式的堆疊拼裝即可制作。新生兒培養箱環境監測APP中，只顯示三個環境參數光照強度、外部溫度與外部濕度，單位分別為lux、℃和%RH。根據需要OneNET將數據進行推送，可將其視為客戶端，手機為服務器，將需要的數據以HTTP請求的方法，推送給“服務器”[15]。

App Inventor開發分為組件設計和邏輯設計，組件設計為界面布局如背景、圖片、底色和字體大小等，重點為邏輯設計中與云平臺的通訊部分。圖6模塊中URL的初始化，可看出獲取數據的網址和設備ID，全局變量HEADER表示個人產品的API密鑰。根據個人需求對獲取的光照強度、溫度和濕度數據流進行分割處理、界面的關聯顯示等。本APP軟件需下載新生兒培養箱環境監測.apk，此安裝包極小，易于下載傳播。

圖6 邏輯設計

3.3.2 OneNET設備云

OneNET云平臺自帶手機APP，更適合面向工程師。云平臺提供iOS與Android下載，需賬號登錄。進入設備云后，點擊自己創建的產品，如培養箱環境監測。進入相應設備，可看到不同參數的數據流。如圖7所示，設備云的應用功能與云平臺一樣，可通過添加應用對其編輯布局。有文本、折線、柱狀、儀表等多種表現形式，然后通過屬性與相應的數據流關聯，實時顯示[16]。

圖7 設備云監測狀態

4 運行結果

本裝置2020年初已于我院PICU和小兒胸心外科進行測試使用。初期，曾多次出現錯誤數據上傳和無數據上傳。經工程師多次檢查發現，錯誤數據是因為工作人員對嬰兒藍光治療時，會將箱體用布遮擋，同時外側的傳感器也被蓋住。無數據是因為芯片連接醫院的免費Wi-Fi不穩定，經過協商，得到相關科室的Wi-Fi賬號密碼，后數據穩定上傳。

目前本裝置在使用中，已多次對培養箱外部光照和溫度異常狀況進行實時監測和精確預警。例如PICU一臺在用培養箱發出預警，持續2 min。如圖8所示，工程師收到報警提示后，查看溫度趨勢圖的同時并詢問現場使用人員具體情況，得知空調的出風口對準培養箱導致其外部溫度過高，將其推開后報警消失。小兒胸心外科病區使用的一臺培養箱，在光照狀態異常時發送郵件報警信息如圖9所示。工程師前往現場查看具體情況，發現該培養箱被家屬推至窗邊，由于陽光直射，實際溫度高于設定值2.2 ℃，內部溫度無法自行降低，工程師迅速采取相關措施，在最短時間內使培養箱恢復正常。

圖8 外部高溫報警

圖9 郵件報警

5 討論與總結

本文報警裝置采用ESP8266 Wi-Fi模塊入網，作為MCU控制蜂鳴器報警和傳輸數據至云平臺，判斷并進行郵件報警。能提前、有效識別導致溫濕度過高的外部因素，最后利用手機客戶端遠程監測[17]。

新生兒培養箱屬于三類醫療器械，對內部溫濕度需嚴格控制，而外環境造成的虛假“故障”現象，已成為相關科室一個亟待解決的問題[18]。目前各個醫院對培養箱的問題處理，除了巡檢與質控，均為被動式的等待報修。而外環境異常導致多種問題：溫度偏差大、均勻度差、波動大等，使得工程師疲于維修檢查，頻繁的報警音也對臨床醫務人員產生了巨大的心理壓力。與此同時市場上所售培養箱的溫控系統具有滯后、慣性、特性參數隨溫度變化的特點[19]，這也是近年來許多培養箱溫度失控不良事件的根本原因[20]。本文裝置意義在于：工程師在日常工作中，可以利用客戶端主動去干預、減少問題的產生，將外環境對培養箱及內部新生兒造成的高溫隱患減少至最低。并具有預警、遠程查閱、實時監測、歷史查詢和報警的特點，即使面對各種類型的培養箱，也能快速判斷解決此類“故障”[21]，使新生兒多一層安全保障。將獲得的數據與內部溫度對比研究，既能減少不良事件的發生，給培養箱的預防性維護提供有力的保障[22]，也可以分析出多種培養箱溫度特性的優與劣，對后期新設備的選型具有指導意義。此外還可以增添傳感器數量，優化光照與箱內溫度變化的關系進行更加準確地報警反饋。最終生成有用的數據作為設備管理、故障預判、成本分析等的重要數據源，為以后的智能化維護、管理、質控等奠定數據基礎。

本裝置利用傳感器監測外環境的變化，簡單實用，未來也可以將其應用到培養箱內部監測或對光照和溫濕度要求較高的醫療設備中。