基于WIFI組網(wǎng)的智能病房監(jiān)控系統(tǒng)-論文

目錄摘要： 1第1章緒論 21.1工程背景及意義 21.2工程概述 21.3工程研究內(nèi)容概要 3第2章硬件設(shè)計 42.1系統(tǒng)總體設(shè)計 42.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 42.3器件選型 62.3.1采集局部 62.3.2病房主控局部 72.3.3中央節(jié)點 82.4硬件電路設(shè)計 82.4.1數(shù)據(jù)采集局部 92.4.2病房主控局部 10第3章軟件設(shè)計 113.1數(shù)據(jù)采集程序流程圖 113.2WIFI組網(wǎng) 12第4章結(jié)論與展望 15參考文獻(xiàn) 15附件： 16實物圖片展示 16基于WIFI組網(wǎng)的智能病房監(jiān)控系統(tǒng)摘要：隨著我國慢慢進(jìn)入老齡化就醫(yī)人數(shù)不斷增加，醫(yī)院對病人的監(jiān)護(hù)將面臨嚴(yán)峻的考驗。同時微電子技術(shù)和信息技術(shù)的開展與應(yīng)用，衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域正進(jìn)行著一場信息化的革命。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)手段己經(jīng)越來越不能滿足當(dāng)今多元化、信息化、個性化的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。在此背景下設(shè)計了一款基于NRF24L01無線模塊和WIFI組網(wǎng)的智能病房監(jiān)控系統(tǒng)力求緩解當(dāng)前嚴(yán)峻的情況。本系統(tǒng)采用msp430單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并對病人情況進(jìn)行評估，采集局部通過NRF24L01無線模塊將評估后的結(jié)果傳到STM32作為主控的WIFI節(jié)點最后將數(shù)據(jù)會聚到護(hù)士站的電腦上位機(jī)上顯示。關(guān)鍵詞監(jiān)護(hù)系統(tǒng)NRF24L01WIFI組網(wǎng)msp430STM32星型結(jié)構(gòu)BasedontheWIFInetworkintelligentmonitorandcontrolsystemforwardAbstract:alongwithourcountryslowlygrowingNumbersintotheagingtreatment,thehospitaltothepatient'scarewillfaceaseveretest.Withthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandinformationtechnologyandapplicationofhealthsectorisundergoingarevolutionofinformationtechnology.Inthefieldofhealthcare,traditionalmeansofmonitoringhasbeenmoreandmorecannotsatisfydiversifiedtoday,informationization,personalizedhealthcareneeds.UnderthebackgroundofthedesignedamodelbasedonNRF24L01wirelessmoduleandWIFInetworkintelligentmonitorandcontrolsystemforwardtoalleviatethecurrentseveresituation.ThissystemUSESmsp430andIAP15F2K61S2single-chipcomputerasthedataacquisitioncontrolandassessmentofthepatient'sconditionismaincontrolboard,theacquisitionpartthroughthewirelessmoduleNRF24L01theassessmentresultstotheSTM32asmasterofWIFInodeswillfinallydatatothenursestationcomputerupperonthedisplay.TheWIFInetworksystemadoptsstarstructurehassimplestructureandsimplemaintenance.第1章緒論1.1工程背景及意義隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的開展與應(yīng)用，衛(wèi)生醫(yī)療領(lǐng)域正進(jìn)行著一場信息化的革命。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)手段己經(jīng)越來越不能滿足當(dāng)今多元化、信息化、個性化的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。醫(yī)院在對病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)治療過程中,需要根據(jù)病人的治療情況隨時了解當(dāng)前病人的身體情況。目前,對病人監(jiān)護(hù)普遍采用人工方式，由護(hù)士或者醫(yī)生走訪病房查看情況記錄病人各項身體情況以及輸液等治療情況特別是輸液情況。目前,對靜脈輸液的監(jiān)控普遍采用人工方式，由護(hù)士根據(jù)經(jīng)驗,將速度調(diào)至適宜值。當(dāng)液體輸完時,如床旁無陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員未及時換藥或拔針頭,將會出現(xiàn)空氣進(jìn)入血管內(nèi)形成空氣栓塞、凝血堵針頭等情況。輕那么延誤治療,給病人造成痛苦,重那么會嚴(yán)重危及患者的身心健康,發(fā)生不可彌補的醫(yī)療事故。為此患者家屬需要不斷地觀察輸液情況，因此病房會有大量陪護(hù)人員，這樣容易導(dǎo)致交叉感染，發(fā)生不可彌補的醫(yī)療事故。同時，護(hù)士也需要不停地巡視病房，增加工作負(fù)荷，有時還會產(chǎn)生醫(yī)療糾紛。在平安照顧方面，現(xiàn)目前還是采用人工照顧和查看病人狀況，在這種情況下如遇病人突發(fā)危險情況恰巧此時照顧人員外出或者由于疲勞不在狀態(tài)沒能及時發(fā)現(xiàn)病人的危險狀況，這種情況在爭分奪秒的病人急救情況下是不容許出現(xiàn)的。如遇這種情況很容易錯過病人的最正確治療時機(jī)。針對現(xiàn)有技術(shù)，提出開發(fā)一種基于單片機(jī)和無線通信技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在克服傳統(tǒng)臨床輸液和日常監(jiān)護(hù)中由于患者、陪護(hù)或醫(yī)護(hù)人員隨時觀察監(jiān)視病人狀態(tài),解決精力大、效率低、不利于病區(qū)的綜合管理的弊端。該設(shè)計將具有重要的理論和實際應(yīng)用價值，對提高我國醫(yī)療器械水平將會產(chǎn)生具大的影響。1.2工程概述系統(tǒng)主要采用單片機(jī)來實時采集病人的身體狀況的相關(guān)信息〔如：體溫、脈搏、血壓等〕以及時實時監(jiān)控輸液情況，單片機(jī)將對采集到的病人情況進(jìn)行評估然后通過NRF24L01無線模塊將評估的結(jié)果發(fā)送到每一間病房的主控上。然后每一間病房的主控再用WIFI模塊組網(wǎng)，將病人的評估情況通過WIFI傳輸?shù)阶o(hù)士站的電腦上位機(jī)上顯示出來，如遇緊急情況還可以及時報警并通知值班醫(yī)生〔如：某病人手術(shù)后體溫突然急劇上升系統(tǒng)將立刻報警〕讓病人能得到及時的治療。數(shù)據(jù)采集局部：數(shù)據(jù)采集局部分為病人身體情況檢測和輸液檢測。病人身體情況檢測采用msp430單片機(jī)作為主控芯片對采集的病人溫度及其它參數(shù)進(jìn)行智能評估然后將評估數(shù)據(jù)通過NRF24L01傳到每間病房的WIFI節(jié)點上。輸液檢測采用重力傳感器和溫度傳感來分別對輸液袋和病人體溫進(jìn)行檢測，檢測主控芯片為msp430單片機(jī)對實時的輸液情況進(jìn)行檢測并通過NRF24L01傳到每間病房的WIFI節(jié)點上。WIFI組網(wǎng)局部：WIFI局部采用STM32為主控芯片對接收到的數(shù)據(jù)打包并傳到中央節(jié)點。在每一個病房中都有一個有STM32病房主控。上位機(jī)局部：上位機(jī)主要任務(wù)是用來對輸液情況進(jìn)行實時的監(jiān)控。同時可以對病人的身體情況信息進(jìn)行統(tǒng)計顯示。1.3工程研究內(nèi)容概要本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳感器方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟，將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于該系統(tǒng)是完全能夠滿足此系統(tǒng)的需求。所以本系統(tǒng)的難點主要集中在如何將采集評估后的結(jié)果實時并且穩(wěn)定的傳到病房主控上然后病房主控又將數(shù)據(jù)集中打包傳到路由上最終實時穩(wěn)定的在上位機(jī)上顯示出來。這其中需要解決多個NRF24L01在病房中組網(wǎng)如何正確的將病人數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳到病房主控且主控還要知道接收到的數(shù)據(jù)是屬于誰的。通過病房主控將病房所有病人數(shù)據(jù)接收后然后將數(shù)據(jù)打包通過傳到路由上，最終通過上位機(jī)顯示出來，這其中WIFI組網(wǎng)是一最難的一個環(huán)節(jié)。本工程的WIFI組網(wǎng)是采用星形結(jié)構(gòu)的簡單方式組網(wǎng)，但是星形結(jié)構(gòu)有一個弊端就是每一節(jié)點都要通過中央節(jié)點才能將數(shù)據(jù)發(fā)送出去所以中央節(jié)點的構(gòu)造是比擬復(fù)雜的，一旦發(fā)生故障整個通信系統(tǒng)就要癱瘓。所以如何提高中央節(jié)點的可靠性是研究的重點。圖1-1系統(tǒng)節(jié)點框圖第2章硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)總體設(shè)計作為病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，再設(shè)計上必須考慮到此系統(tǒng)的特殊性關(guān)乎到使用者的生命平安的一套設(shè)備。所以在設(shè)計必須合理、平安、穩(wěn)定同時出于實際考慮還應(yīng)具有一定的可擴(kuò)展性以及性價比等。根據(jù)這一設(shè)計思想，設(shè)計出一套符合要求的智能病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，具體功能如下：輸液監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測輸液袋重量、溫度傳感器監(jiān)測病人體溫；病人監(jiān)控模塊檢測病人體溫、脈搏、血壓等信息；〔可擴(kuò)展〕NRF24L01模塊將數(shù)據(jù)傳至病房主控模塊；主控模塊通過WIFI將接收到的數(shù)據(jù)傳出去；系統(tǒng)具有平安、可靠、使用、經(jīng)濟(jì)等特點。按功能分可將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、人機(jī)交互模塊。2.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)支持每間病房的每個病人身體情況的監(jiān)測，使用溫度傳感器、血壓傳感器、脈搏傳感器等傳感器采集病人的相關(guān)數(shù)據(jù)然后將數(shù)據(jù)傳至單片機(jī)進(jìn)行智能評估，單片機(jī)將評估結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)再發(fā)送至每間病房的主控上，主控上可以顯示當(dāng)前此病房所有病人的情況。主控再將收到的評估結(jié)果及數(shù)據(jù)發(fā)送到中央節(jié)點上，然后護(hù)士站的電腦連接中央節(jié)點讀取數(shù)據(jù)并顯示。系統(tǒng)框圖如下；圖2-1采集局部框圖圖2-2輸液局部框圖圖2-3WIFI傳輸局部框圖2.3器件選型采集局部〔1〕主控：病人身體數(shù)據(jù)采集主控采用msp430。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器〔TI〕1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。msp430具有以下特性：處理能力強：MSP430系列單片機(jī)是一個16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集〔RISC〕結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式〔7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址〕、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的存放器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。運算速度快：MSP430系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器〔能實現(xiàn)乘加運算〕相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法〔如FFT等〕。超低功耗：在系統(tǒng)中共有一種活動模式〔AM〕和五種低功耗模式〔LPM0~LPM4〕。在實時時鐘模式下，可達(dá)2.5μA，在RAM保持模式下，最低可達(dá)0.1μA?！?〕溫度傳感器：系統(tǒng)溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器.DS18B20具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。技術(shù)性能描述：技術(shù)性能描述①、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。②、測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差〔注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的〕1℃。③、支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。④、工作電源:3.0~5.5V/DC〔可以數(shù)據(jù)線寄生電源〕⑤、在使用中不需要任何外圍元件⑥、測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送⑦、不銹鋼保護(hù)管直徑Φ6⑧、適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫⑨、標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2〞任選⑩、PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連接。〔3〕重力傳感器輸液液體的稱重采用CZL-A重力傳感器，其技術(shù)特性如下：CZL-A系列稱重傳感器是一種力電轉(zhuǎn)換元件，是一種力傳感器，即考慮到使用地點重力加速度和空氣浮力的影響，把被測量的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為另一種被測量〔電信號〕，來測質(zhì)量的力傳感器。CZL-A型稱重傳感器用于將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成電量，是電子衡器的重要組成局部。CZL-A系列稱重傳感器精度高，完全滿足R60號國際建議C3級及GB/T7551-2023中C3級的要求，產(chǎn)品徑近二十年的研究與開展，具有優(yōu)良的長期穩(wěn)定性，到達(dá)了囯際先進(jìn)水平。本產(chǎn)品安裝使用方便，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，四角誤差小。產(chǎn)品在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用?！?〕其他傳感器：脈搏傳感器、血壓傳感器等。數(shù)據(jù)傳輸：本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集局部的數(shù)據(jù)通過NRF24L01模塊傳至病房主控模塊。nRF24L01簡介：nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。其輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無線數(shù)據(jù)傳送工作。極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時電流消耗為11.3mA，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低。性能參數(shù)：①小體積，QFN204x4mm封裝②寬電壓工作范圍，1.9V~3.6V，輸入引腳可承受5V電壓輸入③工作溫度范圍，-40℃～+80℃④工作頻率范圍，2.400GHz～2.525GHz⑤發(fā)射功率可選擇為0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm⑥數(shù)據(jù)傳輸速率支持1Mbps、2Mbps[1]⑦低功耗設(shè)計，接收時工作電流12.3mA，0dBm功率發(fā)射時11.3mA，掉電模式時僅為900nA⑧126個通訊通道，6個數(shù)據(jù)通道，滿足多點通訊和調(diào)頻需要⑨增強型“ShockBurst〞工作模式，硬件的CRC校驗和點對多點的地址控制⑩數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32Byte的數(shù)據(jù)?4線SPI通訊端口，通訊速率最高可達(dá)8Mbps，適合與各種MCU連接，編程簡單可通過軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長度?MCU可通過IRQ引腳快判斷是否完成數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送病房主控局部〔1〕主控病房主控局部采用STM32F103作為主控芯片用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)同時顯示數(shù)據(jù)。STM32簡介：STM32F103系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體〔ST〕公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。芯片集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。內(nèi)核:①ARM32位的Cortex-M3②最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達(dá)1.25DMips/MHZ〔DhrystONe2.1〕單周期乘法和硬件除法低功耗:①睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式②Vbat為RTC和后備存放器供電DMA:①2個DMA控制器，共12個DMA通道：DMA1有7個通道，DMA2有5個通道②支持的外設(shè)：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART③多達(dá)112個快速I/O端口(僅Z系列有超過100個引腳)④26/37/51/80/112個I/O口，所有I/O口一塊映像到16個外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號編碼器輸入:①1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高級控制定時器②2個看門狗定時器〔獨立的和窗口型的〕③系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器④多達(dá)9個通信接口：⑤2個I2C接口(支持SMBus/PMBus)⑥3個USART接口〔支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制〕⑦2個SPI接口(18M位/秒〕⑧CAN接口〔2.0B主動〕⑨USB2.0全速接口〔2〕顯示主控局部集成了一款3.2寸液晶顯示屏可以顯示病人的當(dāng)前情況〔比方：溫度、脈搏等信息〕?！?〕數(shù)據(jù)傳輸主控模塊的數(shù)據(jù)傳輸主要有數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)接收采用NRF24L01接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送采用串口WIFI模塊組網(wǎng)。串口WIFI模塊選用ESP8266串口WIFI模塊。ESP8266簡介：模塊根本特點：1、支持AP(路由器)，STA〔端點模式〕，AP+STA模式，可軟件切換，復(fù)位后新模式有效2、供電電壓3-3.6V，峰值輸出功率20DBM。峰值電流240毫安。這個級別的輸出功率和靈敏度距離空曠一般在100米左右。3、模塊分AT指令執(zhí)行方式，與全I(xiàn)O引出方式。4、ESP8266內(nèi)部跑LWIP協(xié)議，為32為MCU系統(tǒng)。外部FLASH最小1M。系統(tǒng)龐大，跑嵌入式操作系統(tǒng)，可利用資源為內(nèi)部的MCUFLASH和RAM，并且有5個IO口以及一個串口可供調(diào)用。因此資源有限，不大不小，外部FLASH放程序，容易被讀出，因此外加CPU保護(hù)自己的程序可謂必須的。。樂鑫原廠內(nèi)部的專業(yè)工程師，對龐大的系統(tǒng)封裝成AT指令控制格式，也就是用串口調(diào)用十幾個AT指令，能完成自己想要的東西。2.3.3中央節(jié)點中央節(jié)點采用STM32F103為主控芯片，數(shù)據(jù)接收采用ESP8266串口WIFI模塊。中央節(jié)點和PC端上位機(jī)通信采用串口通信。2.4硬件電路設(shè)計2.4.1數(shù)據(jù)采集局部數(shù)據(jù)采集局部的主控采用msp430單片機(jī)，傳感器用DS18B20,數(shù)據(jù)傳輸采用NRF24L01無線模塊。設(shè)計電路圖如圖2-4.圖2-4數(shù)據(jù)采集局部原理圖輸液監(jiān)測系統(tǒng)原理圖框圖如下。圖2-5輸液原理圖病房主控局部病房主控局部采用STM32F103為系統(tǒng)的主控芯片，采用NRF24L01為數(shù)據(jù)接收模塊，采用ESP8266串口WIFI模塊為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，并采用3.2寸液晶顯示數(shù)據(jù)。中央節(jié)點主控模塊采用病房主控模塊相同的原理圖。原理圖如圖2-5.圖2-6主控局部原理圖第3章軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件主要分為兩局部即單片機(jī)程序局部和上位機(jī)程序局部。其中單片機(jī)程序局部采用C語言編寫。3.1數(shù)據(jù)采集程序流程圖本局部采用msp430為主控芯片選擇一個I/O口作為DS18B20的數(shù)據(jù)口。同時采用單片機(jī)的硬件SPI對無線模塊NRF24L01進(jìn)行操作。圖3-1數(shù)據(jù)采集流程圖輸液局部同樣采用msp430為主控芯片，只是在與根底上增加重力傳感器。軟件流程圖如下。圖3-2輸液監(jiān)控流程圖3.2WIFI組網(wǎng)病房主控模塊主要有NRF24L01無線模塊的數(shù)據(jù)接收、液晶顯示以及WIFI發(fā)送數(shù)據(jù)。其中WIFI使用串口WIFI模塊，及需要配STM32F103的UART模塊，通過單片機(jī)UART發(fā)送WIFI模塊的AT指令來配置WIFI模塊。通過WIFI模塊組網(wǎng)思路如下：STM32通過串口發(fā)送串口WIFI模塊的相應(yīng)AT指令將中央節(jié)點模塊配置為AP模式同時設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)〔即：WIFI名、密碼等信息〕。將AP模式配置好后即可使用帶WIFI功能的終端搜索到相應(yīng)的WIFI信號。STM32通過串口發(fā)送串口WIFI模塊的相應(yīng)AT指令將病房主控上的WIFI模塊配置為STA模式