CN204887023U - 一种基于无线传感器网络的病房监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的病房监控系统，该系统的监测终端安装在病房内，其中各终端节点周期性地定时采集监测数据，并将监测数据通过无线传输方式发送至ZigBee协调器；ZigBee协调器将监测数据汇总并通过无线传输方式发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块，两个网关模块对监测数据进行协议转换，并将监测数据通过WiFi网络或GPRS网络发送到监控管理中心；监控管理中心完成监测数据存储、显示、分析与处理并将监测数据和分析与处理结果推送到用户端。本实用新型使得医生可以在远程实时监测病房环境参数和病人生命体征参数，抗毁性与安全性好。

Description

一种基于无线传感器网络的病房监控系统

技术领域

本实用新型属于医疗检测设备技术领域，涉及一种基于无线传感器网络的病房监控系统。

背景技术

无线传感器网络是一种特殊的无线自组织网络，由大量的传感器，感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内的信息，并发送给网络所有者。它不需要很高的传输带宽，只需较低的传输时延以及低功率消耗，网络中节点众多，分布广泛，能够满足各种小型化低成本设备(如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等)的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业、医疗和日常生活中。

在医疗方面，随着经济的现代化发展和人民生活水平的日益提高，以及通信技术的发展越来越迅速，医疗现代化的问题越来越受重视。无线通信技术、无处不在的传感技术、社交网络技术和数据分析技术都已非常成熟，足以使无线医疗成为现实，减少沉重的医疗保健负担的愿望不再是一个梦想。大部分医疗保健服务不会在偶尔看病时才发生，而是在家里、车上和工作场所里随时随地进行。无线医疗监测成为一个研究热点，具有很大的发展前景。

然而，现有的医疗监测系统，基本上采用人工查房或电信号连接线连接各个设备的方式，前者效率低，医疗资源占用大；后者传输范围有限，布线繁琐，可扩展性不足，传输方式单一，实用效果不好。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的病房监控系统，该系统使得医生可以在远程实时监测病房环境参数和病人生命体征参数，抗毁性与安全性好。

为了解决上述技术问题，本实用新型的基于无线传感器网络的病房监控系统包括监测终端，ZigBee协调器，Zigbee-WiFi网关模块，ZigBee-GPRS网关模块，监控管理中心；监测终端安装在病房内，其中各终端节点周期性地定时采集监测数据，并将监测数据通过无线传输方式发送至ZigBee协调器；ZigBee协调器将监测终端节点采集的监测数据汇总并通过无线传输方式发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块；Zigbee-WiFi网关模块对监测数据进行Zigbee与WiFi的协议转换，并将监测数据通过WiFi网络发送到监控管理中心；ZigBee-GPRS网关模块对监测数据进行Zigbee与GPRS的协议转换，并将监测数据通过GPRS网络发送到监控管理中心；监控管理中心接收Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块传输的监测数据并将其存储到数据库中，同时对监测数据进行显示、分析与处理并将监测数据和分析与处理结果推送到用户端。

所述监测终端中各终端节点结构相同，包含传感器组和无线射频收发模块；传感器组包括病房环境参数采集传感器和病人生命体征参数采集传感器；各传感器采集的监测数据通过无线射频收发模块发送至ZigBee协调器。

所述环境参数采集传感器包括温湿度一体式传感器、气体传感器和光照传感器；病人生命体征参数采集传感器包括体温测量传感器和心率测量传感器。

所述监测管理中心将病房号、病床号及对应的环境参数和患者体征参数以表格的形式存储于数据库并推送给用户端；依据心率数据绘制折线图并将该折线图推送到用户端。

所述传感器组中还包括风速传感器；风速传感器采集的病房内空气流速通过无线射频收发模块发送至ZigBee协调器.

ZigBee协调器将病房内空气流速监测数据通过无线传输方式发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块；Zigbee-WiFi网关模块对该监测数据进行Zigbee与WiFi的协议转换，并将其通过WiFi网络发送到监控管理中心；ZigBee-GPRS网关模块对该监测数据进行Zigbee与GPRS的协议转换，并将其通过GPRS网络发送到监控管理中心；监控管理中心接收Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块传输的病房内空气流速监测数据并将其存储到数据库中。

监控管理中心通过APP消息的方式将监测数据和分析与处理结果推送到用户端。

本实用新型还包括安装在病房内的自动控制器、空调、加湿器、电灯和风机；自动控制器通过无线传输方式与Zigbee-WiFi网关模块、ZigBee-GPRS网关模块、空调、加湿器、风机和电灯通信，接收Zigbee-WiFi网关模块或ZigBee-GPRS网关模块传输的环境温度、空气相对湿度、二氧化碳浓度、光照强度数据，并根据这些数据分别控制空调、加湿器、风机和电灯开启和关闭，以调整病房环境参数。

本实用新型基于无线传感器网络，融合了多种通信方式对病房进行监测，其具有如下优点：

(1)克服了传统有线病房监测系统布线麻烦，成本高，功耗高，可扩展性和移植性差的不足。

(2)传统病房监测系统的传输范围有限，数据存储困难，实时了解不便，实用性并不强，本实用新型提供了病情以及环境状况的定期检测、传送、分析并保存，通过WiFi网络和GPRS网络延长了传输范围，使得医生可以在远程，依据数据对病情作出实时的诊断，提高了诊断的准确性。

(3)传统病房监测系统数据传输方式单一，容易受到干扰而出现故障，本实用新型采用2种不同的无线传输方式，增加了系统的抗毁性与安全性。

(4)本实用新型中自动控制器能够将监测到的病房环境参数与设定的标准进行比较判断，根据判断结果控制空调、加湿器、风机、电灯等工作，以改善病房环境参数。

(5)传统病房监测系统监测到的数据繁杂，无法直观地判断病房状态，本实用新型根据各项环境指标建立评价模型机制，自动对病房内的环境指标进行判别与评级；医务人员可以直观地根据评级进行一系列的优化措施。

(6)监测管理中心能够对接收到的患者体温和心率数据进行比较判断，并向用户推送报警消息，用户可以根据报警信息及时对患者的突发状况进行处理。

(7)传统病房监测系统获得的数据结果只能在电脑上查看，本实用新型采用APP消息推送的方式，将信息传送到用户的手机和平板电脑等移动终端，使随时随地的医疗操作成为了可能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的基于无线传感器网络的病房监测系统结构示意图。

图2为监测终端中终端节点结构图。

图3为ZigBee-WiFi网关结构图。

图4为本实用新型的工作流程图。

图5为自动控制器的流程图。

图6为本实用新型监测信息管理平台报警功能的流程图。

图7为本实用新型监测信息管理平台查询功能的流程图。

图8为本实用新型监测信息管理平台综合评估功能的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于无线传感器网络的病房监测系统包括监测终端，ZigBee协调器，Zigbee-WiFi网关模块，ZigBee-GPRS网关模块，监控管理中心；监测终端中各终端节点周期性地定时采集监测数据，并将数据通过无线传输方式发送至ZigBee协调器；ZigBee协调器将各终端节点采集的监测数据汇总并通过无线传输方式发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块；Zigbee-WiFi网关模块对监测数据进行Zigbee与WiFi的协议转换，并将监测数据通过WiFi网络发送到监控管理中心；ZigBee-GPRS网关模块对监测数据进行Zigbee与GPRS的协议转换，并将监测数据通过GPRS网络发送到监控管理中心；监控管理中心接收Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块传输的监测数据并将其存储到数据库中，同时对监测数据进行显示、分析与处理并经监测数据和分析与处理结果推送到用户端。

所述监测终端包含多个终端节点，各终端节点结构相同，包含传感器组和无线射频收发模块，如图2所示。传感器组包含五类传感器，对光、二氧化碳、心电、体温、温度以及湿度等六项数据进行较为精确的采集。病房环境温度和湿度监测采用的是DHT11温湿度一体式传感器；二氧化碳等有害气体监测采用的是气体传感器MQ-2传感器；光照强度监测采用的是光敏电阻5516；体温测量传感器采用的是MEB13-503F-16L87传感器；心率测量传感器采用了PulseSensor传感器。无线射频收发模块采用TI公司生产的CC2530无线射频收发模块，各传感器采集的监测数据通过无线射频收发模块以无线传输方式传输给ZigBee协调器。

如图2所示，各类传感器对环境参数和病人生命体征参数进行准确采集。无线射频收发模块中，A/D转换模块负责将各传感器传来的外部数据送入单片机系统中进行处理，也是一个数据通道；MCU处理模块是单片机的核心，其功能在于使监测数据进行初步筛选分析和处理，将数据按照ZigBee协议打包数据帧，通过接口传输给ZigBee通信模块，再通过ZigBee通信模块以无线传输方式发送给ZigBee协调器。ZigBee是一种低功耗，低速率，高可靠性，廉价，方便的组网方式，且反应速度快，能够保证对病房的实时监控，其覆盖范围在无增益时可达几十米，完全满足病房监测的距离范围。

所述协调器部分采用TI公司生产的CC2530无线射频收发模块，该无线网络为基于ZigBee网络协议的无线网络。ZigBee协调器汇聚节点的核心模块是Zigbee通信模块，该模块利用天线与终端节点进行数据间的相互通信，包括从终端节点接收上传的监测到的参数数据，发送采集指令到终端节点，保证与Zigbee-WiFi模块进行的正常数据通信。其余还有中央处理器、存储模块辅助对数据的存储与处理。另外，协调器的功能还包括建网与数据接收。

网关包括一个STM32F103RCT6型单片机和ATK-RM04串口WiFi模块、SIM900a无线通信模块；STM32F103RCT6型单片机与ATK-RM04串口WiFi模块组成Zigbee-WiFi网关模块；STM32F103RCT6型单片机和SIM900a无线通信模块组成ZigBee-GPRS网关模块。

传感器无线网络与WiFi网络或GPRS网络的信息互通需要利用网关，使得信息格式在网关中从ZigBee的格式转换成WiFi或GPRS的帧格式。之后数据信息通过WiFi网络或GPRS网络将传感器测得的信息发送到监控管理中心。

监控管理中心；将接收到的信息存储到数据库中，同时对各数据信息进行显示、综合分析与处理，同时将各种数据通过APP消息的形式推送到用户的手机、平板电脑等便携设备。

设置在病房内和病人身上的监测终端节点，通过各传感器对病房监测区域内的环境参数、病人体征参数等准确地进行实时监测，并采用ZigBee通信协议的无线传感器网络将采集到的数据发送给设置在病房外(如走廊，值班服务台等区域)的Zigbee协调器，Zigbee协调器通过串口将数据信息发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块，网关模块里的单片机会将接收到的数据信息进行数据帧格式转换和协议转换，在单片机的显示屏上进行显示，并通过串口WiFi模块和SIM900a无线通信模块将处理过的数据信息实时传送到监测管理中心，监测管理中心接收该数据信息对病房环境参数和病人体征参数进行远程监测，并将接收到的数据信息存储到数据库中，同时对各数据信息进行显示、综合分析与处理，将各种数据信息通过APP消息的形式推送到用户的手机、平板电脑等便携设备，让用户随时随地了解病房与病人的状态。

医护人员可以很方便地在病房外(如走廊，值班服务台等区域)通过网关模块处的显示屏了解病房环境参数和病人生命体征参数，以便及时对监测区域内的病人的突发状况进行救助；同时监测管理中心也能够实时地对病房环境参数和病人生命体征参数进行监测，以便总调度室的医护人员进行查询；系统还将病房和病人的监测信息通过APP消息的形式传送到用户的手机、平板电脑等移动终端，使其随时随地可以了解系统的运转情况，方便医护人员的远程监护。除此之外，监测管理中心还可以根据病房环境参数进行人体舒适度指数计算和评级；将病人生命体征参数与设定的正常参数上下限值比较，当生命体征参数不在正常参数范围内时，发出报警信息，用户可以根据报警信息及时对患者的突发状况进行处理。

本实用新型主要通过不同种类的传感器对病房以及病人的情况进行采集，由ZigBee协调器在小范围内对多类异构数据进行准确收集整理以及发送，最终到达远程的Zigbee-WiFi网关模块，ZigBee-GPRS网关模块进行异构数据的接收处理，ZigBee与WiFi、GPRS的结合大大延长了数据的传输距离，提高了系统的安全性和抗毁性。系统通过监测管理中心的建立，完成数据的交互，同时便于使用，保证了系统的可视化和实用性。将数据信息传送到用户的手机和平板电脑等移动终端，使随时随地的医疗操作成为了可能。加上在数据接收终端监测管理中心的根据病房的数据标准和病人的生理指标建立的评价和控制机制，可为广大医院及患者提供更高质量的人性化服务。

无线传感器网络与WiFi网络或GPRS网络的信息互通需要利用网关。如图3所示，ZigBee-WiFi网关模块由ZigBee协调器的ZigBee通信模块接收到的传感器监测数据信息通过串口传送给单片机(MCU模块)，单片机将数据的帧格式从ZigBee格式转换成WiFi格式，之后，数据信息在WiFi模块中采用WiFi协议并经由WiFi网络发送到监测管理中心。ZigBee-GPRS网关模块的功能结构与ZigBee-WiFi网关相似，同样是将数据帧格式进行转换，同时采用GPRS协议将数据信息经由GPRS网络发送到监测管理中心。

如图4所示，ZigBee协调器建立网络；监测终端中各终端节点搜寻网络，若发现不了网络，终端节点继续搜索；当发现网络后，终端节点上的各类传感器对病房监测区域内的环境参数、患者生命体征参数等准确地进行实时采集；终端节点将采集到的数据信号发送给布置在病房外(如走廊，值班服务台等区域)的ZigBee协调器；ZigBee协调器通过串口将数据信息发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块；Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块里的单片机会将接收到的数据信息进行数据帧格式转换和协议转换，在单片机的显示屏上进行显示；网关对移动网络进行判断，若GPRS网络可用，则通过GPRS网络将数据发送给监测管理中心，若WiFi网络可用，则通过WiFi网络将数据发送给监测管理中心；监测管理中心接收网关的监测数据，将其存储到数据库中，并对数据进行综合分析与处理。

如图5所示，自动控制器对接收到的环境温度、空气相对湿度和二氧化碳浓度数据进行比较判断；设病房环境正常温度标准为22～26°，正常空气相对湿度范围为40％～60％，正常二氧化碳浓度低于1000ppm，正常病房光照强度不低于55Lux，病房内休息时间为22:00-7:00，治疗时间为7:01-21:59；如果接收到的温度数据显示病房温度小于22°或高于26°，则自动控制器控制空调自动开启进行升温或降温，随着空调运行，病房环境温度逐渐降低或升高，当环境温度调节至22～26°之间时，自动控制器控制空调自动关闭，节约能源；如果同时接收到的空气相对湿度数据显示病房空气相对湿度参数低于40％，则自动控制器控制加湿器自动运行，随着加湿器运转，病房空气相对湿度逐渐增加，当空气相对湿度增高至60％以上时，自动控制器控制加湿器自动关闭，节约能源；如果同时接收到的二氧化碳浓度数据显示病房环境二氧化碳浓度参数高于1000ppm，则自动控制器控制风机自动运行。随着风机运转，病房环境二氧化碳浓度逐渐降低，当二氧化碳浓度降低至1000ppm以下时，自动控制器控制风机自动关闭，节约能源；当同时从系统中读取的时间为22:00-7:00，为病人休息时间，则自动控制器控制电灯关闭，以保证病人休息时不被灯光打扰。当时间为7:01-21:59，为治疗时间，如果同时接收到的光照强度数据低于55Lux，则自动控制器控制电灯打开，为病房增加亮度，当光照强度增加到55Lux以上时，自动控制器控制电灯关闭，节约能源。

如图6所示，监测管理中心的报警模块对接收到的患者体温和心率数据进行比较判断；设患者正常体温度标准为37°以下，正常心率范围为60～100次/分钟；如果接收到的体温数据显示患者体温高于37°，则监测管理中心向用户推送报警消息：“患者体温过高，请及时处理”；如果接收到的心率数据显示患者心率高于100次/分钟或低于60次/分钟，则监测管理中心向用户推送报警消息：“患者心率异常，请及时处理”。用户可以根据报警信息及时对患者的突发状况进行处理。

如图7所示，监测管理中心的查询模块对用户输入的病房号和病床号进行判断，如果输入的号码是不存在的，就不再继续查询；如果输入的号码是存在的，就根据输入号码，提取数据库中对应的环境参数和患者生命体征参数；建立一个临时的表单，表单中包含所有的监测数据，将这些数据以表格的形式显示给用户；由于心率数据要求直观地观察，将心率数据以折线图的形式更直观地显示；在用户阅读完成后，清空用户的输入，并关闭查询功能。

如图8所示，监测信息管理平台的综合评价功能针对指定病房，调用数据库中对应的环境参数表，并提取数据；将表中数据代入人体舒适度指数计算公式，计算人体舒适度指数ssd-EN；对人体舒适度指数所处的范围进行等级划分。人体舒适度指数ssd-EN计算公式为公式(1)。

ssd-EN＝(1.818T+18.18)(0.88+0.002f)+(T-30)/(42-T)-3.2v+16.2(1)

其中，T为本监测系统监测到的病房环境温度，单位为℃；f为本监测系统监测到的病房空气相对湿度；v为本监测系统监测到的病房内空气流速，单位为m/s。本实用新型针对我国东北地区环境的温度与湿度的情况，设定人体舒适度指数计算公式，进行分级操作。根据舒适度ssd-EN的值，将病房环境等级划分为9级。其中将90划为4级，表示人体感觉很热，极不适应，应注意防暑降温，以防中暑；将85-90划分为3级，表示人体感觉炎热，很不舒适，需注意防暑降温；将79-85划分为2级，表示人体感觉偏热，不舒适，可适当降温；将70-79划分为1级，表示人体感觉偏暖，大部分人感觉较为舒适；将59-70划分为0级，表示人体感觉最为舒适，最可接受；将50-58划分为-1级，表示人体感觉略偏凉，大部分为感觉较为舒适；将39-50划分为-2级，表示人体感觉较冷(清凉)，不舒适，请注意保暖；将26-38划分为-3级，表示人体感觉很冷，很不舒适，希注意保暖防寒；将<25划分为-4级，表示人体感觉寒冷，极不适应，希注意保暖防寒，防止冻伤。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的病房监控系统，其特征在于包括监测终端，ZigBee协调器，Zigbee-WiFi网关模块，ZigBee-GPRS网关模块，监控管理中心；监测终端安装在病房内，其中各终端节点周期性地定时采集监测数据，并将监测数据通过无线传输方式发送至ZigBee协调器；ZigBee协调器将监测终端节点采集的监测数据汇总并通过无线传输方式发送到Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块；Zigbee-WiFi网关模块对监测数据进行Zigbee与WiFi的协议转换，并将监测数据通过WiFi网络发送到监控管理中心；ZigBee-GPRS网关模块对监测数据进行Zigbee与GPRS的协议转换，并将监测数据通过GPRS网络发送到监控管理中心；监控管理中心接收Zigbee-WiFi网关模块和ZigBee-GPRS网关模块传输的监测数据并将其存储到数据库中，同时对监测数据进行显示并将对监测数据的分析与处理结果推送到用户端。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的病房监控系统，其特征在于所述监测终端中各终端节点结构相同，包含传感器组和无线射频收发模块；传感器组包括病房环境参数采集传感器和病人生命体征参数采集传感器；各传感器采集的监测数据通过无线射频收发模块发送至ZigBee协调器。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的病房监控系统，其特征在于所述环境参数采集传感器包括温湿度一体式传感器、气体传感器和光照传感器；病人生命体征参数采集传感器包括体温测量传感器和心率测量传感器。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的病房监控系统，其特征在于所述环境参数采集传感器还包括风速传感器。

5.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的病房监控系统，其特征在于还包括安装在病房内的自动控制器、空调、加湿器、电灯和风机；自动控制器通过无线传输方式与Zigbee-WiFi网关模块、ZigBee-GPRS网关模块、空调、加湿器、风机和电灯通信，接收Zigbee-WiFi网关模块或ZigBee-GPRS网关模块传输的环境温度、空气相对湿度、二氧化碳浓度、光照强度数据，并根据这些数据分别控制空调、加湿器、风机和电灯开启和关闭，以调整病房环境参数。