基于IoT的醫院病區護理智能化監控管理系統

戴舟堯，郭鶴魁，沈希龍，李志恒，江輝琪，陶 莎，薛 清

（江蘇海洋大學理學院，江蘇 連云港 222005）

1 研究背景

智能化、自動化的病區護理管理方式是順應時代和社會發展方向的，具有較好的發展趨勢。本課題為基于IoT的醫院病區護理智能化監控管理系統，可適用于醫院門診系統和病房住院系統中的靜脈輸液監控和管理。堅持“以病人為中心”的服務理念，來完善臨床服務系統，提高護理工作質量，這不僅是新醫改的要求，更是深化護理改革的重要舉措[1]。靜脈輸液作為臨床上應用最為廣泛的治療用藥方式，是護理工作內容的重要組成部分。靜脈輸液的科學性和安全性，直接影響了護理工作質量和患者滿意度[2]。

2 管理系統整體設計

2.1 設計思路

2.1.1 病床智能輸液裝置設計思路

為了實現對病區患者的輸液情況進行實時監控，需要設計一套病床智能輸液裝置，利用STM32微控制器配合應變片重力傳感器、舵機、滴速控制裝置、DS18B20溫度傳感器等傳感器設備，實時監測患者輸液剩余狀態和輸液速度，利用算法估算出本次輸液大概剩余時間。

2.1.2 病房總控制器設計思路

如果將每一個病床輸液裝置采集的數據分開各自發往護理中心計算機端，數據量將會非常之大，因此需要在每個病房設計一個以STM32F7微控制器為控制核心的病房總控制器作為一個數據中轉站[3]，收集當前病房內所有的輸液裝置采集的數據，將數據整合成一條JSON格式的數據，發送給護理中心計算機端的接收器，然后間接將JSON數據傳輸到計算機解析并顯示。

2.1.3 護理中心計算機端的數據接收器設計思路

為了實現單片機和計算機端遠程數據傳輸，設計了一個數據接收器，采用Lora遠程數據傳輸方式接收醫院病區所有患者的數據數據[4]，然后通過串口將數據傳輸到計算機端，并且為了和家屬端小程序進行通信，數據接收器與esp8266連接并且與OneNet云平臺進行通信，通過MQTT協議與手機端的微信小程序進行通信。

2.1.4 護理中心計算機監控軟件的設計思路

便于工作人員遠程監控病人輸液數據，需要將接收到的全部數據進行解析并且進行可視化顯示。計算機顯示軟件采用Python語言編寫，使用PyQt5設計顯示GUI，最后將程序打包成一個可執行軟件。

2.1.5 家屬用戶端微信小程序的設計思路

如果陪護家屬臨時有事需要外出，家屬需要及時了解病人的輸液狀態，避免輸液完成無人告知，需要設計用戶手機端的監控器，可實時監測病人輸液的滴速是否合理，剩余時間是否充足。

2.2 系統組成

基于IoT的醫院病區護理智能化監控管理系統主要由四個部分組成：上位機護理中心計算機端監控軟件；家屬端護理監控小程序；智能輸液監控控制裝置；系統的互聯機制。如圖1所示。

圖1 系統的整體結構

2.3 交互設計

（1）輸液監控裝置上的OLED顯示屏：當這個輸液裝置未使用時，屏幕將顯示“等待輸液”提示信息，當該裝置正在進行輸液工作時，屏幕將顯示當前輸液預計剩余時間，便于和患者本人之間簡單交互。

（2）病房總控制器上的LCD屏幕：該屏幕將顯示該病房所有患者的輸液狀態信息，并且可進行交互進行一鍵呼叫護士。

（3）護理中心計算機端的監控軟件顯示器：該交互方式用于工作人員遠程監控醫院病區所有病人的輸液狀態，當病人出現突發情況或者是輸液即將完成時，將發出提示告警信號。

（4）家屬端微信小程序：只需在微信搜索“護理監控”即可打開小程序并與系統連接，查看患者的輸液狀態。

3 管理系統的下位機設計

3.1 病床輸液監控控制裝置

病床輸液監控控制裝置技術架構如圖2所示。

圖2 病床輸液監控控制裝置技術架構

該部分的作用是測量輸液過程中的剩余余量、輸液狀態、告警信息、環境溫度、輸液速度、心率信息等數據，并將這些數據壓縮成JSON格式的數據，并通過NRF24L01無線傳輸技術發送給該裝置所在病房的總控制器，匯總數據被用于數據可視化管理。

病床輸液監控控制裝置軟件流程圖如圖3所示。

圖3 病床輸液監控控制裝置軟件流程圖

3.2 病床輸液監控控制裝置

病房總控制器的技術架構如圖4所示。

圖4 病房總控制器技術架構圖

該部分可以實現通過LCD液晶觸摸顯示屏的GUI界面實時查看當前病房每個輸液裝置的靜脈輸液相關數據，并實現藥物的識別、一鍵呼叫功能、語音告警提示等功能。

病房總控制器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 病房總控制器軟件流程圖

3.3 護理中心專用數據接收器

護理中心專用數據接收器技術架構圖如圖6所示。

圖6 護理中心專用數據接收器技術架構圖

利用Wi-Fi、LoRa無線傳輸技術與TTL串口進行組網傳輸，LoRa無線技術與病房總控制器進行數據交換，Wi-Fi無線技術與OneNET平臺進行數據交互，TTL串口通信與計算機端進行數據交換，實現手機端、計算機端實時查看靜脈輸液相關數據，以及對各部分的控制指令進行推送等功能，并且實現手機一鍵呼叫護士功能。

護理中心專用數據接收器軟件流程圖如圖7所示。

圖7 護理中心專用數據接收器軟件流程圖

4 管理系統的上位機設計

4.1 護理中心監控軟件

護理中心監控軟件實現流程圖如圖8所示。

圖8 護理中心監控軟件實現流程圖

該程序使用Python+PyQT5進行開發，利用串口接收處理護理中心專用數據接收器推送的消息。當程序運行時，用戶選擇串口打開后即可開始處理護理中心專用數據接收器推送的消息，完成處理后保存相關變量，如果接收到的是傳感器相關的變量數據，通過定時器將新變量刷新顯示到可視化界面；如果接收到的是請求更新網絡時間的命令數據，通過串口發送當前網絡時間到護理中心專用數據接收器然后轉發到命令請求端；如果接收到的是二維碼內容讀取命令，將訪問本地二維碼數據庫讀取相關二維碼種類及其規格，按照錄入時間順序，將最新錄入的結果發送到命令請求端；如果接收到的是告警提示命令，軟件將開啟線程，通過TTS轉換，播放語音提醒。

4.2 微信小程序

微信小程序實現流程圖如圖9所示。

圖9 微信小程序實現流程圖

當用戶打開小程序時，顯示的第一個界面就是選擇病人所在床位的界面，當家屬選擇好病床號點擊下一步時，小程序就會把用戶選擇的病床號上傳到MQTT對應的主題上，然后單片機訂閱相應的主題就可以獲取用戶選擇的病床號，單片機就可以將此病床的輸液信息上傳到用戶的手機端。當用戶下發一鍵呼叫指令時，按照同樣的思路將指令發送給護理中心數據接收器，然后通過串口將指令發送到計算機軟件解析，開啟線程，通過TTS轉換，播放語音提醒。

4.3 數據庫管理系統

計算機端的藥瓶信息數據庫管理系統軟件實現流程圖如圖10所示。

圖10 藥瓶信息數據庫管理系統軟件實現流程圖

該程序采用Python、PyQT5和OpenCV2三種技術進行設計。當醫院需要將新藥瓶錄入數據庫時，打開該軟件，將藥瓶放置于攝像頭下。當程序運行時，系統將攝像頭獲取的圖像信息進行灰度、二值化處理之后識別藥瓶下的條形碼數據，識別成功之后將條形碼數據顯示在軟件界面上，核對條形碼數據無誤后，將藥瓶信息填寫到對應的數據框中，點擊錄入按鍵即可將藥瓶信息保存到本地數據庫。

5 系統的調試與測試

5.1 無線傳輸性能分析

在本系統的運行測試過程中發現系統在無線數據交互過程中，當設備傳輸數據的時間間隔較短的時，無線通信模塊發送端出現緩存溢出和接收端接收緩存溢出等問題時會導致堵塞現象。經過修改軟件定時發送時間并加入自定義協議后解決了發送接收堵塞問題，真正實現了數據的可靠傳輸。

經過反復測試和調整后，系統能進行長時間無堵塞、無丟包地收發數據，系統的無線通信功能正常。

5.2 滴速控制統計

通過滴速控制統計測試得到表1數據，對該滴速控制機械裝置測試可達10級不同滴速。該系統所實現的滴速完全滿足兒童或成年人健康輸液滴速標準，該功能測試結果正常。

表1 多級滴速對應的點滴滴速表

5.3 系統實物圖

圖11 系統實物圖

6 結束語

該系統能夠提供較為完整的功能，可以較好地完善輸液工作。對于輸液患者而言，他們可以得到更好的照顧，增加了輸液的安全性，提高了他們的輸液滿意度；對于護士而言，可以降低他們的工作壓力，高效率地利用工作時間投入護理工作。