基于物联网的智慧病房设计与仿真.pdf

物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application1000 引 言在当前医疗模式下，住院患者若要得到较好的治疗并尽早康复一定程度上与医护人员能否及时查看患者的各种生理指标并响应患者的治疗诉求有关。然而目前医疗护理人员对患者仍无法做到实时监控和响应，这既不利于患者的康复，也容易产生医患纠纷。基于此，本文提出一种基于物联网的智慧病房系统，旨在解决当前病房存在的痛点，消除信息孤岛，提高病患的就医体验，减少医护人员的工作量1。同时，该系统利用传感器采集病房内的温度、湿度、烟雾浓度、患者体温、患者输液情况等各类数据并进行数据分析，不仅可以更为精准地观察患者的生理状态，提升检测实时性与精准性，方便动态调整治疗方案，也为未来医疗的大数据分析和共享奠定坚实的基础2-3。1 系统总体设计本文以患者为中心、病房为平台，综合考虑目前病房数据传送的延时性和医护工作量大的现实矛盾，对系统进行模块化设计，更加准确地抓住痛点问题，专项处理现实弊端。如图 1 所示，本文将系统具体分成 4 个模块：数据采集、数据传送、数据分析、数据显示。数据采集模块：是整个系统信息分析的基础来源。本文以传感设备为采集主体，实时采集监控病房环境和病患病理指标，并将数据实时传递给数据分析模块，以达到对病患的精准辅助治疗。数据传送模块：考虑到病房因采用固定有线传输而存在的线路密集混乱的弊端以及医院对于整体环境干净整洁的需求，根据病房构建特性，本文在数据传输模块使用 ZigBee设备4-5作为纽带来完成数据采集汇总和信息转发控制。由于一台 ZigBee 设备可管理 255 台数据采集设备，因此每个病房仅须安装一台 FFD 设备即可满足监控需要；由于 FFD设备具备星型、树型、网型组网拓扑结构，所以可为病房区建设安全、高效的信息传输网络，有效保证数据传输的及时性、可靠性。数据分析模块：将实时数据上传到网络中心集中处理，通过数据分析算法判别病房环境和病患情况，根据分类模型给出治疗建议，便于医生及时监管病患病理指标，对异常指标达到早发现、早干预、早治疗的效果。数据显示模块：将病房采集的数据通过云平台显示在护士站工作台终端设备和走廊显示屏，多屏显示动态更新的变化趋势，方便医生更直观地观察到病人身体状况和实时需求变化，追踪病人康复情况，打造高质量就医环境。图 1 系统总体设计2 硬件设计硬件设计分为 3 层：感知层、网络层和应用层。感知层负责实时采集监控病房环境和病患病理指标。针对病房环境和病人需求，感知模块检测内容有：病房环境温湿度信息、烟雾浓度、光照强度、患者体温、输液完成与否、是否呼叫医生；使用的传感器有：温度传感器、湿度传感器、烟雾浓度传感器、光照检测器；同时还设计了输液报警器、呼叫按键等。网络层使用无线传感网技术 ZigBee 对终端传感器节基于物联网的智慧病房设计与仿真刘 帅，王亚奇（河南城建学院 计算机与数据科学学院，河南 平顶山 467036）摘 要：针对传统病房低效的痛点，为提升病人就医体验，本文利用物联网技术设计了一种智慧病房系统，打造新型病房环境。该系统包括主控处理、声光报警、多屏显示、多信息融合传输、传感器数据采集等模块，可实现对病房环境、病人住院期间身体指标的实时监测和异常报警，护士端界面设计可视化前端，用于实时监测和管理，方便高效就医。关键词：物联网技术；智慧病房；生理参数；数据采集；实时监测；医疗信息化中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）09-0100-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.09.025收稿日期：2022-10-23 修回日期：2022-11-21基金项目：河南城建学院网络课程项目（J-X2020179）2023年/第9期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application101点采集到的实时数据进行汇合，采用去中心化的网状拓扑结构，是一种自组织多跳网络，拥有较强的自愈能力，十分适用于病房这个短距离多功能多模块连接的复杂环境中。经路由节点信息汇合后，将病房环境数据和病患病理指标发送至本病房的协调器中，由协调器完成网络的创建和数据的转发，对外传送本病房数据到网络中心集中处理。以单个病房为最小单位，每个病房配备各式传感器、路由节点和一个协调器。由路由节点汇集来自终端传感器节点的实时数据，向上传递至病房协调器中，ZigBee 协调器将采集到的病房数据进行整合打包，将数据向上汇集至网络中心处理。以 1 个协调器 ZC、10 个路由节点 ZR、15 个终端传感节点 ZED 为例，系统拓扑图如图 2 所示。图 2 病房拓扑图3 软件设计在硬件信息采集完成的基础上，通过软件设计进行数据加工显示。软件设计有数据分析模块和数据显示模块。设备终端无线通信模块在 EDP 协议的功能下将数据上传到OneNET 云平台，实现病房设备和 OneNET 云平台之间的连接；连接完成后系统开始读取所传递的烟雾浓度、人体温度、环境温湿度等数据，由 OneNET 云平台将采集到的病房环境数据和患者身体数据分类保存、实时更新，并通过数据分析算法判别病房环境和病患情况，构造分类模型，方便医生进行数据分析、及时监管和治疗。数据显示模块创设护士站工作台前端页面，通过云平台将病房信息同步发送更新至护士站工作台设备，方便医护人员可以在护士站工作台设备上查看各个病房环境和病人身体的监测数据变化；云平台实时更新检测数据，可以通过历史数据观察各项特征参数的变化趋势，判断患者的生理状况和恢复情况，摒弃了冗杂的手工抄录核对和在不同病房中的不断往返，提高了临床护理工作效率。同时，在走廊上额外增置一个液晶显示屏，与护士站工作台同步接收 OneNET 云平台传递的数据异常报警、病人呼叫信息，并按照接收到信息的时间顺序在液晶显示屏上排列显示，此功能可以有效避免医生和护士因未及时看到弹出的患者异常报警或呼叫信息而错过最佳诊治时间。4 系统仿真为验证上述设计的可靠性，下面模拟病房环境进行仿真实验。按照上述设计与安排，智慧病房仿真采用 STC12 芯片中的 STC12C5A60S2 芯片作为主控芯片，LCD1602 液晶显示屏模拟走廊显示屏，ESP8266 作为网络模块与 WiFi 相连；检测传感器有 YW03 非接触液位传感器、DS18B20 数字温度传感器、DHT11 传感器、MQ-2 烟雾浓度检测传感器；呼叫报警模块包括蜂鸣器、LED 灯、电容触摸按键6；同时，使用 OneNET 云平台实现与设备和上位机之间的数据传输和展示。实验流程见表 1 所列。表 1 实验流程步 骤测试过程预期测试结果运行结果1将物体放到 YW03 非接触液位传感器上，模拟有液体；再拿开，模拟输液结束当有物体时，没有反应；当物体被拿开时，启动报警，护士站工作台显示异常有物体时，无反应；物体拿开时，蜂鸣器报警，LED 灯亮起，LCD 屏显示“NO”，护士站工作台显示患者输液结束通知2改变 DS18B20 传感器的温度，模拟患者温度，调整异常温度范围，检测报警在正常范围内，同步显示数据；温度异常时，启动报警，护士站工作台显示异常正常设定范围，同步显示数据；异常时，蜂鸣器呼叫报警，同时 LED 灯亮起，护士站工作台显示患者温度异常通知3触摸电容触摸按键，模拟病人呼叫蜂鸣器响，LED 灯亮起，护士站工作台显示呼叫蜂鸣器报警，同时 LED 灯亮起，护士站工作台显示患者呼叫请求对话框4DHT11 传感器检测室内温湿度环境，MQ-2 传感器检测室内烟雾情况在护士站工作台液晶显示屏上显示温湿度和烟雾浓度改变环境的温度、湿度、烟雾浓度，液晶屏显示的数据也发生改变根据实验流程，进行了 4 次实验。以实验 1 为例，仿真结果如图 3 所示。通过对系统进行仿真测试，验证了系统达到了设计要求。智慧病房的建设，结合了各种管理系统和数字化终端设备，实现了医护人员与患者之间更为便捷的沟通，数据检测更加准确真实，病人可感知可操作，提高了病人住院的体验感和舒适感，帮助病人尽快恢复。同时，为医生提供了可视化界面，方便对整个科室病房进行统一高效管理；异常情况报警呼叫功能完备，适用于医院多方面的需求。经过仿真测试，系统表现良好，实现了设定的功能，具有较强的实用性，并为接物联网技术 2023年/第9期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application102下来的深入研究提供了技术保障。图 3 仿真结果5 结 语本文的智慧病房设计，借助网络传输模块、云平台实现了数据的实时监测、显示和同步更新，护士站工作台显示界面和走廊液晶显示屏能直观反映患者情况和呼叫需求，极大地提高了患者就医和医生监管效率。该设计能够实现远距离对病房环境和病人信息的实时监控，减少医护人员往返病房的次数，及时反馈患者需求，为患者提供安静的康复环境，减少医患纠纷，打造高舒适度、高效率的新型病房环境。但本文中检测数据较为普遍，缺乏针对性，接下来的研究将针对专科人群进行分类设计，如母婴病房设置婴儿防盗，心脏科室的心电监护，呼吸科的血氧监测，重症病房的脉搏、心率、血压监控等，提高智慧病房系统的专业适用性，为患者提供便捷、舒适、安全、优质的医疗服务7-10。参考文献1 任立全，马啸天，张翼凡.基于 IoT 的智慧云病房系统设计与研究 J.智能建筑电气技术，2021，15（2）：9-12.2 夏孟恒.智能融合，焕然“医”新雲禾智慧病房助力医院智慧化升级 J.智慧中国，2021，7（11）：42-44.3 张媛.智慧病房模式指导的健康教育对住院患者的干预效果分析J.甘肃科技，2021，37（16）：148-150.4 蒋尚杰.变电站智能辅助监控系统无线传感器网络的设计与研究D.兰州：兰州交通大学，2020.5 叶贵，杨洋，张林静，等.基于 ZigBee 的养老院老人体征监测系统设计 J.计算机测量与控制，2022，6（26）：1-9.6 洪锦维.电容式触控技术入门及实例解析 M.北京：化工工业出版社，2021.7 刘亚文.我院智慧病房系统的建设 J.中国医疗设备，2019，34（12）：97-100.8 尹慧子.智慧医疗情境下信息交互及效果评价研究 D.长春：吉林大学，2020.9 朱德刚.基于无线物联网平台的智慧病房实践 J.电脑知识与技术，2021，17（35）：147-149.10 姚科，李国利，邹惟清，等.基于物联网的病房环境监测系统设计与实现 J.科技创新与应用，2021，11（31）：20-24.作者简介：刘 帅（1980），男，硕士研究生，讲师，研究方向为算法分析、图像融合、物联网通信应用。王亚奇（2001），女，本科在读，研究方向为物联网技术、大数据技术。本文通过 PLC 可编程控制系统可实时连续地进行低温熔覆。对低温熔覆时间、速度等参数可任意地进行精确调节控制，从而弥补了传统低温熔覆系统的缺陷，使低温熔覆修复功能更全面、更高效；并利用自动化控制系统，填补传统低温熔覆市场的空白，为低温熔覆生产企业提供了焊斑均匀、焊后便于加工的低温熔覆系统；同时还能对焊接参数进行记忆存储，不需要经常调整低温熔覆参数，减少材料浪费，进而创造更高水平的效益。注：本文通讯作者为薛亚平。参考文献1 王喜文.工业 4.0：智能工业 J.物联网技术，2013，3（12）：3-4.2 刘幸，刘潇.自适应控制系统的发展与应用 J.物联网技术，2011，1（7）：61-63.3 李春范.中国的钢材与焊材 J.焊接，2006，50（6）：16-26.4 齐国治.焊材的发展与焊机的配套 J.电焊机，1994，24（1）：9-11.5 王卫东，边境，许巍.一根焊材的质量要诀 N.中国质量报，2010-03-10006.6 宋才发.在“十四五”规划实施中推动我国经济社会高质量发展 J.改革与战略，2022，38（3）：109-118.7 钱元.以“较真认真”引领“十四五”高质量发展 J.建筑，2022，69（2）：27-28.8 刘绍明.一种滑轨铝型材 Z.重庆：重庆开确科技有限公司，2016.9 林龙飞.大型轴类零件柔性斜轧工艺及关键技术研究 D.北京：北京科技大学，2021.10 祁鹏.PLC 在机械自动化中的应用 J.时代汽车，2022，19（9）：30-32.作者简介：贾雨涵（2001），男，江苏南通人，在读本科，研究方向为机械电子工程。薛亚平（1977），男，高级实验师，研究方向为机械电子工程。（上接第99页）