基于可穿戴設備醫用防護服微環境監測系統的研究

摘 "要： 隨著全球氣溫不斷升高，生態環境不斷變化，重大傳染病疫情時有發生。個體防護裝備是醫護人員避免生物污染危害的直接防護屏障，但長期穿戴專業的醫用防護服裝備會導致體表溫度升高、大量出汗、虛脫等狀況。為此，基于一次性醫用防護服設計一種監測系統，以實時監測一次性防護服內的溫濕度、二氧化碳含量及穿著人員的心率和血氧飽和度等數據。針對穿戴者長時間在污染區域作業，與外界通信受限的問題，搭建物聯網云平臺并采用無線傳輸技術實現作業人員與后方控制人員的信息交互，提高了一次性防護服的安全性和控制能力。針對微環境的溫濕度、二氧化碳濃度及人體的心率和血氧飽和度等設定不同的閾值，隨著工作的進行，通過微環境參數的改變來觸發報警系統。所設計的監測系統滿足設備向小型化發展的要求，方便醫護人員穿戴，且獲取監測數據后能及時通過物聯網上傳。

關鍵詞： 可穿戴設備； 醫用防護服； 微環境監測； 智能終端； 傳感器； ESP32； 物聯網云平臺

中圖分類號： TN915?34； TP29 " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）06?0079?06

Research on wearable devices based microenvironment monitoring system for

medical protective clothing

LI Mingshuo1， WU Tao1， 2， REN Jianxin1， XIONG Anshi1， JIANG Huayang1， JIA Jingtao1

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2. Computer Center， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： With the rising global temperature， changing ecological environment， and major infectious disease outbreaks occurring from time to time， PPE is a direct protective barrier for healthcare workers to avoid the hazards of biological contamination， and wearing professional medical protective clothing and equipment for a long period can lead to conditions such as elevated body surface temperature， profuse sweating， and defecation. Therefore， a monitoring system is designed based on disposable medical protective clothing to monitor the temperature and humidity， carbon dioxide content， heart rate， and oxygen saturation data of the wearer in real?time inside the disposable protective clothing. In allusion to the problem of wearers working in polluted areas for a long time and limited communication with the outside world， an Internet of Things cloud platform is built and wireless transmission technology is adopted to achieve information interaction between operators and rear control personnel， so as to improve the safety and control ability of disposable protective clothing. Different thresholds are set for temperature and humidity， carbon dioxide concentration， human heart rate， and blood oxygen saturation in the microenvironment. As work progresses， the alarm system is triggered by changes in microenvironment parameters. The designed monitoring system can meet the requirements of miniaturization of equipment， making it convenient for medical staff to wear it， and can timely upload monitoring data by means of Internet of Things.

Keywords： wearable devices; medical protective clothing; microenvironment monitoring; intelligent terminal; sensors; ESP32; Internet of Things cloud platform

0 "引 "言

病原微生物長期與人類共存，是人類健康的大敵。由于人口過度增長、生態環境破壞等原因，國際上暴發了SARS、MERS、COVID?19等突發傳染性疾病，對國家安全、人類健康造成了重大威脅[1]。為盡可能地降低感染風險，醫護人員在接觸傳染病病人時需要穿戴一次性防護用品，用來阻隔患者的血液、體液、分泌物的微顆粒[2]。由于防護裝備不透氣導致的體表溫度升高、大量出汗等狀況，部分醫護人員可能會產生皮疹、毛囊炎等疾病[3]，極大地降低了醫護人員的工作效率[4?5]。而實時監測一次性防護服內的微環境數據，可以及時提醒穿著人員和后臺控制人員做好休息和通風換氣的準備。

目前國內外一次性防護服偏向于電動送風，缺乏防護服內微環境的實時監測，醫護人員緊張繁重的作業強度往往使穿戴者無暇顧及防護服的工作狀態，這就需要后方指揮與保障人員實時了解防護服的運行狀態，在異常時及時提醒醫護人員采取必要措施。目前現場作業時，各套防護服的參數為本機監測，容易形成信息孤島，后端遠程感知更是處于空白狀態。

21世紀以來物聯網技術快速發展，在社會生活中起著越來越重要的作用，得到了各行各業的關注和重視[6]，物聯網作為互聯網和通信網的延伸部分[7]，為推進個體防護裝備的智能化提供了可能。本文基于一次性防護服設計的微環境監測系統集成了Max30102血氧監測傳感器、DHT11溫濕度傳感器、SGP30二氧化碳傳感器，均采用參數控制和雙向通信器件，通過ESP32單片機的控制實時對防護服內部的數據進行采集，并通過無線網把數據發送到物聯網平臺，即可實現前端感知、后端可視的目的，增強了前后端信息的交互能力。

1 "系統硬件設計

本文系統由實時監測、數據上傳、終端顯示和報警等四大功能模塊組成，四大功能模塊的硬件設計是通過ESP32主控板和各類傳感器開發來實現的。系統包括溫濕度傳感器、血氧飽和度傳感器、二氧化碳傳感器、OLED顯示器、語音報警傳感器。該系統的遠程通信是通過WiFi的形式實現的，傳感器感知一次性防護服微環境內的參數，并通過WiFi將實時監測的信息發送到物聯網云平臺，實現遠程控制。系統總體框架如圖1所示。

1.1 "ESP32單片機

系統選擇ESP32作為主控芯片，該芯片性能穩定，具有良好的射頻性能、超低的功耗和價格[8]；同時還有I2C、SPI、UART等常用外設接口，操作簡便、易于上手，適用于各類智能控制。ESP32單片機具有32位雙核處理器，內置藍牙和WiFi功能，不用再外接無線通信傳感器，可以減少開發成本，加快開發速度。其中WiFi的速度高達150 Mb/s，工作頻率為2.5 GHz。該芯片既可以基于內嵌的XtensaR32?bitMCU作為獨立的片上系統使用，也可以作為其他MCU主控方案的從設備[9]，支持多種串行通信。憑借其穩定的性能和內置的自校準電路，ESP32消除了外部電路的弊端，并提供動態電壓調節，能很好地適應不斷變化的外部條件[10]。

1.2 "WiFi配網

要想實現遠程控制醫用防護服微環境監測系統的正常運行，就需要對整個工作系統網絡進行連接。配網是連接網絡中非常重要的一環，監測系統在上電后需要連接WiFi，此時程序會自動切換到配網模式，可以根據手機的提示輸入熱點密碼和連接網絡。設備配網需要將ESP32設置為AP熱點模式并且打開手機熱點，然后用手機連接名為NodeMCU?ESP32的WiFi信號，會自動跳到配網頁面，根據自己手機熱點的名稱和密碼，輸入到對應的配網頁面WiFi SSID和WiFi PASS處，輸入完熱點的賬號和密碼后，就會跳轉到如圖2a）所示的頁面，配網成功之后會跳轉到如圖2b）所示的頁面。

1.3 "傳感器模塊

本文監測系統選用DHT11溫濕度傳感器來對防護服微環境中的溫度和濕度進行測量。DHT11傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，該產品具有響應速度快、數據準確、抗干擾能力強、性價比高等優點[11]，并且能夠滿足系統的需要。此外，DHT11采用單線串行接口，通信便捷[12]。

SGP30氣體傳感器采用微機電系統（MEMS）技術，利用薄膜制作工藝和深反應離子蝕刻技術，極大地縮小了傳感器的體積。通過增加傳感元件和加熱元件間的熱隔離，使得傳感器精度得到了明顯的提高[13]。

MAX30102是一種集成有脈搏血氧檢測儀和心率監察儀等生物感應器的模塊，整合了多種LED、光學電子學探測器、光學元件，包括具有環境光抑制功能的低噪音電子電路等[14]。

1.4 "實時監測流程圖

一次性防護服微環境監測系統的實時監測流程如圖3所示。當通電后ESP32會進行系統的初始化，然后配網，之后ESP32會給各個傳感器發送指令，各個傳感器會進入工作狀態，對微環境里的溫濕度、人體的血氧飽和度和心率進行實時監測，監測的每一個數據都會在計算機端網頁和手機網頁進行實時顯示，且監測的每一個數據會與設定好的報警閾值進行比較。如果實時監測到的數據小于設定閾值，監測系統會進行實時的數據采集；如果實時監測的數據大于設定的閾值，ESP32會給語音模塊JQ8900?16P發送指令，報警器就會發出語音報警，提示穿著人員注意休息和通風換氣，后臺控制人員也會在網頁上看到相應的提示，以進行醫護人員的輪流調整。

2 "物聯網產品的開發

2.1 "創建新產品

本文系統利用阿里云物聯網平臺實現數據展示、監控以及報警功能。首先要創建產品，產品名為一次性防護服微環境監測系統，設備名為xinlv，產品和設備創建完成后可以獲得設備的三元組，如圖4所示，三元組作為設備的位移編號與下位機ESP32一一對應。

通常三元組用于ESP32單片機和阿里云物聯網平臺的連接，通過修改代碼中的三元組能夠連接不同的設備。

代碼編寫設置如下：

//定義PRUDUCT_KEY a108TA6NLSm

#define PRODUCT_KEY \"a108TA6NLSm\"

//定義DEVICE_NAME xinlv

#define DEVICE_NAME \"xinlv\"

//定義DEVICE_SECRET 29b30a53f9fbcd89656a7c35fc8317fa

#define DEVICE_SECRET \"29b30a53f9fbcd89656a7c35fc8317fa\"

通過對PRUDUCT_KEY、DEVICE_NAME、DEVICE_

SECRET進行單獨定義，在將代碼移植到別的設備時，只需要更改三元組就能讓代碼正常運行，提高了代碼的可移植性。

2.2 "添加產品功能

當設備創建成功后，在產品中查看一次性防護服微環境監測系統，進入功能定義，添加自定義功能。以血氧飽和度為例，設置功能名稱為血氧，標識符為Enoximetry，數據類型為int32，取值范圍為0～100，步長為1，單位為%，讀寫類型為只讀，設置完成后，點擊發布上線。當有單片機連接到阿里云平臺時，設備xinlv將變為在線狀態，當有數據發送到阿里云平臺時，點擊查看，查看物理模型數據可以得到實時數據，如圖5所示。

2.3 "瀏覽器頁面設計

通過阿里云物聯網平臺進行數據監控過程繁瑣復雜，而且在后臺進行數據監控時用戶權限過高，不利于用戶管理，所以本文利用物聯網云平臺的IoT Studio，進行了Web可視化和移動端可視化的開發，方便穿著人員和后臺監控人員對數據進行監測，圖6所示為Web端頁面設計圖。

隨著時代的發展，數據可視化在數據展示中的重要性逐漸凸顯，相比于書面信息，人腦對視覺信息的識別相對容易。使用圖表匯總復雜的數據，更能直接地展示所要表達的信息[15]，而數據曲線作為數據可視化的基礎方式之一，通過直觀的數據展示可以看清楚數據的變化情況以及變化趨勢，其能夠將數據的各個屬性值以多維數據的形式展示出來，從而便于對數據進行更深入的觀察和分析。

本文系統采用數據曲線對血氧飽和度、心率、溫度、濕度、二氧化碳數據進行同步展示。以血氧飽和度為例，首先在物聯網Web可視化開發頁面尋找實時曲線組件，然后設置數據源配置，數據源選擇設備，模式為多設備單屬性，產品名為一次性防護服微環境檢測系統，設備選擇指定設備中的xinlv，屬性為血氧飽和度。

數據源配置完畢后，可以調整合適的曲線顏色，設置曲線圖名稱。同理可以設置心率、溫濕度、二氧化碳濃度曲線，采集1 h的數據后，監控數據頁面如圖7所示。

3 "物聯網實驗平臺的驗證

3.1 "實驗環境搭建

為測試本文系統的實時監測能力以及物聯網云平臺的搭建是否真實有效，進行穿戴和數據后端顯示的實驗。通過把語音報警器、二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器語音芯片、ESP32開發板等集成到一塊PCB板上，實現了設備的小型化。

血氧傳感器會通過引線連接到穿戴者的手腕處，PCB板上面留有電源接口，通過充電寶等供電方式可以給整個監測系統進行獨立供電，當穿戴者把硬件集成PCB固定到胸前以后，打開電源開關，整個開發板集成系統就會得到供電，同時打開手機熱點，配網成功后，數據就會實時地上傳到物聯網云平臺。監測系統硬件圖如圖8所示。

3.2 "測試設備

將一次性防護服微環境檢測系統佩戴帶在胸前，充電寶作為集成開發的電源持續供電，把開發板固定完畢后，就可以完整穿戴好防護服進入作業區域進行工作。圖9a）中把監測設備固定于穿戴者的胸部，因為隨著微環境溫度、濕度的增高，人體胸部的溫度較高；圖9b）中穿戴者已完整穿戴好防護設備。

穿戴者打開自己的手機熱點就可以讓開發板連接到自己的手機，即可實現數據采集、上傳與下發的功能。通過手機打開各個監測數據的報警開關并設定好相應的閾值，如果一次性防護服微環境超過所設定的閾值，就會發出相應的報警聲音。

監測頁面如圖10所示，后臺控制人員可以通過圖10a）Web頁面進行監測，穿戴者可以通過移動端頁面圖10b）進行監測。

從圖10中可以看到，實時監測頁面豐富地展示了當前環境的溫濕度、防護服內部的溫濕度、二氧化碳含量、穿戴者的心率和血氧飽和度，后臺控制人員可以隨時清楚地看到防護服微環境的監測數據，及時了解穿戴者的工作狀態。

4 "結 "論

隨著科技飛速發展，加之信息技術與網絡通信技術的進步，將互聯網技術與一次性防護服設計相結合能夠為醫護人員提供便利的工作條件。本文基于傳染病疫情工作者所處的高危高感染環境，利用嵌入式技術、物聯網通信技術、傳感器監測技術，設計一種以ESP32為控制核心的監測系統，以實時監測防護服內的情況，從而減少人力物力的投入，在醫護人員自身安全得以保障的前提下，提高工作的效率，減少病毒對于醫護人員的危害。利用阿里云物聯網平臺設計了一次性防護服微環境的數據實時展示界面，穿戴者可以通過手機網頁查看自己所處的微環境當中各種數據的狀況，及時做出相應的工作判斷；對于后臺控制者來說，可以通過Web頁面實時監測所處工作環境醫護人員的工作狀態，及時通過數據提醒工作人員注意休息和做出人員的輪換。利用數據監控實現了遠程的數據超限設置，超過相應的設定閾值會發出相應的語音和頁面顯示的報警。

注：本文通訊作者為吳濤。

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