基于ESP8266WiFi模塊的監(jiān)測平臺

楊宇琛 祝海鵬 朱小青 李臻愷 蔣亞東 林焱杰

摘要：數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在社會的輸液人數(shù)正在大大增加，而輸液過程繁雜以及輸液環(huán)境的影響使得現(xiàn)在的輸液體驗并不友好。而這不僅針對病人，也包括護(hù)士。因為輸液過程中信息的獲取困難，導(dǎo)致了護(hù)士的工作量大大增加。所以本平臺以打造一個通訊便捷、準(zhǔn)確的環(huán)境為目標(biāo)，結(jié)合Arduino Nano 中控芯片，ESP8266WiFi模塊以及NRF24L01來實現(xiàn)護(hù)士和病人之間的數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1、前言

根據(jù)我們的實測數(shù)據(jù)推導(dǎo)，認(rèn)為浙江省一年的輸液人次已達(dá)3800萬人次，也就意味著平均每天有10萬人有輸液需求。而目前輸液患者的輸液信息就如同一個數(shù)據(jù)孤島，而在以往的做法中，往往是護(hù)士充當(dāng)在孤島之間游走的角色，導(dǎo)致護(hù)士的工作量很大。所以該信息監(jiān)測平臺就極為重要。它可以實現(xiàn)將輸液袋容量、藥液滴速、輸液時間以及剩余電量等信息通過智能硬件采集后，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)測平臺，而后形成可視化的界面提供給護(hù)士進(jìn)行查看。打破數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，遠(yuǎn)程監(jiān)測，從而就能最大程度的減輕護(hù)士的工作量。

2、硬件設(shè)計

該監(jiān)測平臺硬件主要由Arduino Nano、ESP8266WiFi模塊及NRF24L01組成。通過Arduino板收集各類傳感器檢測到的數(shù)據(jù)再通過ESP8266WiFi模塊的指令和NRF24L01將其傳送到上位機(jī)。

（1）ESP8266WiFi模塊

ESP8266 WiFi 模塊為樂鑫公司開發(fā)的一款物聯(lián)網(wǎng)專用芯片。ESP8266 WiFi 模塊采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，通過 WiFi與上位機(jī)通信。利用ESP8266模塊對傳統(tǒng)串口設(shè)備進(jìn)行簡單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機(jī)，實現(xiàn)物聯(lián)功能。

（2）NRF24L01無線收發(fā)器芯片

NRF24L01是一塊2.4GHz通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，采用3.3V供電。該芯片可通過SPI接口配置126個1Mbit/s速率的頻點，或者63個2Mbit/s速率的頻點，SPI的最大速率可達(dá)10Mbit/s。最大發(fā)射功率0dB時供電電流30mA，最大通信距離為可視100m，穩(wěn)定收發(fā)距離10m。芯片可設(shè)6個物理地址，可提供6個通道單獨通信。每個通道具有ARA校驗功能、自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能。

與Arduino Nano相連時，我們只需關(guān)注ASN、SAK、MISO、MOSI、IRQ和AE這6個端子即可，其中ASN為片選線，低電壓有效;SAK為同步時鐘端子，為芯片提供時鐘脈沖;MISO、MOSI均為芯片控制數(shù)據(jù)端，區(qū)別是MISO為主輸出從輸入，而MOSI為主輸入從輸出;IRQ為中斷信號;AE是NRF24L01的模式控制線。

3、無線組網(wǎng)說明

將NRF24L01的第1個通道地址留作他用，第2個通道地址作為本網(wǎng)絡(luò)的廣播接收地址，其前4個字節(jié)也可以作為本網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，最后一個字節(jié)定為255（0xFF）。在完成網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)后，考慮到所有節(jié)點都設(shè)在同一頻點上，為避免網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點無線信號的相互干擾，每個節(jié)點按”上-右-下-左”的順序進(jìn)行連接，而后進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳送。例如圖1中任意子節(jié)點發(fā)起訪問均可通過”上-右-下-左”的順序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至主節(jié)點。通過此組網(wǎng)方案以及路由設(shè)計，結(jié)合NRF24L01芯片特點，監(jiān)測系統(tǒng)可覆蓋6000-8000m2的范圍，并在此區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)單級最大在線設(shè)備數(shù)量達(dá)到63臺，而NRF24L01芯片工作在1對6模式下時，可采用將每一個監(jiān)測點同時作為一個傳輸節(jié)點，上下級無限擴(kuò)展，形成樹狀結(jié)構(gòu)，這樣可以無限擴(kuò)大覆蓋面，滿足本輸液設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境。均滿足監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計要求。

4、檢測平臺搭建

本監(jiān)測系統(tǒng)中搭建的監(jiān)控平臺是基于Qt和ONENET平臺搭建成型的智能交互系統(tǒng)，并通過ESP8266-WIFI模塊連接arduino Nano。以數(shù)字、圖形等方式展顯示當(dāng)前輸液余量、輸液滴速、緊急報警和電池余量等局部狀態(tài)或全局狀態(tài)，數(shù)據(jù)存儲和管理;利用監(jiān)測系統(tǒng)采集到的各種數(shù)據(jù)。在保證設(shè)備正常運行的同時增強(qiáng)人機(jī)交互功能，使醫(yī)護(hù)人員可實時得到輸液狀態(tài)反饋，從而可及時處置意外情況的發(fā)生。

平臺主要流程如下：

4、結(jié)尾語

本平臺以中心控制模塊為核心，通過檢測對輸液信息的采集，并傳輸?shù)街行目刂颇K上，同時中心控制模塊通過WiFi模塊將已采集的輸液信息反饋到監(jiān)測平臺。實現(xiàn)了對于輸液過程中各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，同時將監(jiān)測結(jié)果通過可視化界面顯示在護(hù)士眼前，最大程度減輕了護(hù)士的工作量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張琥石，林偉龍，楊發(fā)柱，黃向軍，金星伊，陳潔，羅曉春，張盈盈，甘辛.基于ESP8266WiFi模塊的物聯(lián)網(wǎng)體溫監(jiān)測系統(tǒng) [A].2095-1302（2020）12-0032-04

資助項目：衢州學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項目Q20X030