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标题: 无线射频技术在无人值守病房监护系统的设计 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 21:28
标题: 无线射频技术在无人值守病房监护系统的设计
体温、心率和呼吸频率等三项生理参数是人体最重要、最基本的生命体征。对伤病人员进行多项生命体征的监测有利于对其进行及时有效的治疗处理，但目前我国大部分监护系统都是人工床边监护和有线方式床边监护，前者浪费人力，可靠性低；后者成本高，布线困难。这就迫切需要一种既能够可靠监护病人，又能节约人力物力的监护方式。本文介绍的无人值守病房监护系统正是为满足这样的需要而设计，该系统采用生物医学传感器对病人的体温、心率(脉搏)、呼吸频率等生理参数进行实时检测，并将检测数据通过无线射频模块发送给监控中心，实时监测病人的身体情况，不但节省了人力物力，提高了医院医疗服务质量、医院管理水平，并且安装方便、成本低、使用简单。
1 系统组成及工作原理
无人值守病房监护系统主要由数据采集器、无线射频模块SRWF-106、监控计算机等部分组成，结构示意图如图1所示。

佩戴在病人身上的数据采集器集心率传感器、呼吸频率传感器以及温度传感器等多种生物医学传感器于一体，它可以实时监测病人的心率、呼吸频率以及体温等生理体征参数，并通过铁电存储器记录数据的采集时间，然后通过无线射频模块SRWF-106实时发送到中心病房监控计算机。如果某个病房发送数据的某项指标出现异常，系统会报警提醒监控人员对相关病人采取及时地处理措施，从而比较及时的对病人治疗，保证了病人的安全并提高了监控效率。当然，监控人员也可对监控计算机数据库进行数据索引，有针对性地对某些病人的生理体征参数进行分析，及时更改治疗手段或者提前对病症进行有效的防控，进而最大限度上保证了病人的权益。
2 系统硬件设计
2．1 数据采集器硬件设计
数据采集器佩戴在病人身上，主要完成对病人生理体征参数的采集、处理和存储等功能，由传感器电路、微处理器以及铁电存储器等部分组成。传感器包括温度传感器DSl8820、HK-2000A型集成化脉搏传感器、HXB-2型压电呼吸传感器以及其他待扩展传感器，微处理器选用了PLILIPS公司的高速、低功耗、8位FLASH单片机LPC932，铁电存储器选用RAMTRON公司集成时钟电路的FM31256。数据采集器电气原理图如图2所示。

将连接到数据采集器上的数字温度传感器DSl8B20、HK-2000A型集成化脉搏传感器和HXB-2型压电呼吸传感器分别按要求安装到病人身体的相关部位，然后开启数据采集器，开始采集病人的体征参数，连同数据采集的时间一并存入铁电存储器FM31256，同时启动无线射频模块SRWF-106，实时地将病床号、采集时间以及监测数据发送出去，红指示灯D3闪烁标示数据传输成功。当供电电池电压不足，单片机LPC932会发生比较中断，这时黄指示灯D4会闪烁指示，提醒工作人员更换电池，提高了数据采集器的工作可靠性。
2．2 无线射频模块SRWF-106的使用
SRWF-106模块提供两个串口，COMl(CONl的Pin3、Pin4)固定为TLL电平的UART串行口；COM2(C0Nl的Pin6、Pin7)可通过跳线J1的D位来选择接口方式，包括RS 485和RS 232两种。本设计中，数据采集器和SRWF-106之间为TTL电平，而监控计算机与SRWF-106间为RS 232。SRWF-106模块提供1 200 b／s，2 400 b／s，4 800 b／s，9 600 b／s，14 400 b／s，19 200 b／s等接口波特率，波特率的设定可通过改变模块反面的焊盘跳线(J2～J4)的状态来确定。模块工作电压为+4．5～+5．5 V。为有效节约功耗，模块可设置为休眠状态。
3 通信协议的设计
无线通信系统中，由于供电、空间噪声以及传输路径等因素的影响，数据传播过程中很容易受到干扰，造成通信失败，因而需要设计一种传输协议，保证在这种不可靠的物理链路上建立起可靠的数据连接。本系统中，数据采集器与监控计算机是一个简单的多点对一点通信。
3．1 波特率设置及通信方式的选择
考虑到无线射频模块SRWF-106自身的特点并兼顾到数据通信的速度和稳定性，本设计采用9 600 b／s。由于通信是多对一的关系，串口选择工作方式3。
3．2 数据校验方式的确定
使用无线通信技术传输数据时，很容易遇上干扰，使传输数据发生改变，从而导致传输错误。考虑到系统的实际要求，本设计采用8位的CRC(循环冗余校验)校验方式。
CRC校验和的计算是一种循环计算。从数学角度看，CRC校验和是用生成多项式(算法规则)去除一个多项式(由数据块表示)，CRC校验为相除后所得的余项。CRC校验是对要传送的一个数据块附加一些校验位这些校验位(CRC校验位)由该数据块算出，并随同数据块一并传送。在接收端，对收到的数据块重新按规定的算法计算CRC校验和，从而可以判别数据传输过程是否出错。
本系统中的CRC校验子程序如下：

3．3 通信数据的编码
为保证数据传输的可靠性和准确性，本设计采用的数据帧格式如表1所示。其中，前两字节为起始同步信号，地址码占用一个字节(O～255)，用它来标示不同床位号；待发数据包括：心率(1 B)、呼吸频率(1 B)、体温(2 B)和采集时间(7 B)；校验码为8位的CRC校验码。传输顺序为：心率、呼吸频率、体温(高位在前，低位在后)、采集时间(依次为：秒、分、小时、日、月、年)；当发送应答命令时，待发数据为2 B的0xcc或者0xBB。

4 计算机软件系统设计
在Windows操作平台上采用可视化程序设计语言Visual Basic：设计系统的Database Server，Visual Basic是面向对象的可视化快速应用开发工具，具有功能强大、界面友好、简便易用和代码执行速度快等优点。该系统具有数据索引、系统设置、报表等功能。根据病人病情的不同，医生可以制订不同的监测标准。图3是系统操作界面的截图(包含部分实验数据)。

5 结语
基于无线射频技术的无人值守病房监护系统省略了复杂的布线，安装方便、操作简单、工作可靠、故障率低、易于维护，一旦进入实用阶段必将为医院节省经营成本，提高医疗服务质量和管理水平，最终使患者及医务人员真正受益，这对于加快我国医院的智能化建设进程具有重要意义。

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