物联网的病房生命体征监控系统的研究与开发传感器设计与开发
医疗卫生领域作为物联网十大应用领域之一，目前已成为热点。为满足医院对实时监测病人生命体征数据的需求，以ZigBee技术为背景，提出了使用ZigBee无线传感网结合心率体温传感器的使用，设计了一款无痛无创实时监控病人生命体征的智能腕表。在以20人为测试对象的测试中，该腕表所测体温误差在0.2℃以内，所测心率误差在5BPM以内。并且该系统实现了异常数据报警提示的功能。通过测试表明，以ZigBee技术为基础的智能腕表能够满足医院的需求，能够准确监测病人的体温和心率，具有实际意义和应用价值。关键词 生命体征，物联网，实时监控，ZigBee，传感器
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
2 系统总体设计 3
2.1 设计内容介绍 3
2.3 系统硬件模块划分 4
2.4 系统软件概要设计 5
3 硬件的选择 6
3.1 温度心率传感器的选择 6
3.2 单片机的选择 7
3.3 无线模块的选择 7
3.4 液晶显示屏的选择 10
4 系统硬件电路设计 11
4.1 CC2530最小系统的电路 11
4.2 电源电路 13
4.3 按键电路 13
4.4 串口转USB电路 13
4.5 复位电路和Debug电路 14
4.6 Flash电路 15
4.7 LED电路和液晶电路 15
4.8 HCP52传感器电路 16
5 系统软件设计 17
5.1 原始体征数据采集模块的设计 17
5.2 体征数据分析与处理模块的设计 19
5.3 编码体征数据无线发送模块的设计 21
5.3 数据显示模块的设计 22
6 系统测试与运行 23
6.1 各模块功能测试 23
6.2 系统总体测试 27
结 论 28
致 谢 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
参 考 文 献 30
附录A 协调器底板电路图 32
1 引言
1.1 课题研究的背景
呼吸、体温、脉搏、血压，医学上称之为人类生命四大体征[1]，它们是人类生命是否存在的标志性指标，也是用来判断机体健康状态的基本依据。正常人的生命体征稳定在一定范围之内[2]，当体征数据出现异常时，通常意味着病情的变化。对于康复期、手术后、围产期的病人如果能持续监护病人的健康状态，实时记录病人的生命体征，对临床正确诊断、及时治疗及护理有重要意义，也有助于医护人员全面掌握病人的生命体征变化情况，从而在第一时间采取有效的救治措施。目前，医院对病人生命体征的监控主要采用定期测量方式，由医护人员每隔一段时间对病人进行测量。采用该方法存在着以下弊端：（1）定期方式在两次测量之间存在着真空期，在此期间的异常和突发情况无法实时监测，从而丧失最佳抢救时机，因此必须需要对某些疾病(如脑溢血、心脏病)进行生命体征的连续实时监测；（2）每次测量易对病人形成干扰，尤其是夜间，既影响病人的休息，也可能导致病情突变；（3）定期测量方式获取的体征数据是非连续的，存在较大的间隔，使得医护人员无法及时掌握病人病情及判断病人病情变化趋势；（4）体征数据具有不同表现，如脉搏的快慢缓急稳定与否，蕴含着丰富的病情信息，中医医生甚至能通过搭脉的方式来对病人进行疾病诊断，充分证明了这些数据所具有的高临床价值，而人工测量无法定量采集这些数据。
物联网的出现是一次新的信息产业浪潮[3]，顾名思义，物与物相连的互联网即是物联网。近年来，物联网技术经常被用于医疗和护理领域，其中患者生命体征医疗监测是较为热门应用之一[4]。本设计融合传感器、无线网络等新兴信息技术以解决远程监测病人生命体征的难题。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
美国较早提出生命体征监测这一命题，其对该领域的研究较深入，并且其应用范围主要集中于军事领域。如美国军方研制的一种供作战时使用的个人生理状态监护仪PSM(Personal Status Monitor)可以监护战士的呼吸、体温等重要的数据，而且可以把数据发送给负责救护的医疗兵，这种仪器在战场使用将大大降低士兵在战场上的死亡率，实用性非常强[5]。美军的WPSN系统[6]可以同时检测士兵的体温、脉搏、血压、呼吸并以无线传感网传输体征信息[7]。欧盟也资助了多个体征监测项目，其中最为著名的就是被称作 Ambulance and Emergency112[8]。
1.2.2 国内研究现状
相比于欧美等国家，国内则较晚开始研究生命体征监测系统。第四军医大学研制了一种战场无线生命体征监测系统[9]，通过GSM无线网络传输士兵生命信息，用于救治现场和后送途中对伤员的监护。清华大学研制的心电、血压家庭监护系统，可以实时监测人体心电信号，可通过移动网络传输到远程数据中心和终端移动设备[10]。另一种旨在提高空巢老人健康水平的“空巢老人基本生命体征监测系统”，能够对空巢老人的体温、脉搏、呼吸等生理参数进行实时监控[11]。
上述研究项目主要针对军用或家用，而用于临床病人生命体征监测系统未见相关国内产品。
1.2.3 发展趋势
近年来，智能穿戴式医疗监测仪正成为国内外生命体征研究监测研究的热点。如MyHeart心血管疾病监测智能穿戴系统[12]、LifeShirt生命杉、AMON腕式健康与预警网络监护仪器[13]、ViSi Mobile可穿戴式监测仪[14]。其中具有代表性的产品是由美国VivoMetrics公司开发的LifeShirt生命衫，它是一款可以连续、无创、移动式收集生命体征的系统，重量仅为8盎司。图1为LifeShirt[15]实体图片。
目 录
1 引言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
2 系统总体设计 3
2.1 设计内容介绍 3
2.3 系统硬件模块划分 4
2.4 系统软件概要设计 5
3 硬件的选择 6
3.1 温度心率传感器的选择 6
3.2 单片机的选择 7
3.3 无线模块的选择 7
3.4 液晶显示屏的选择 10
4 系统硬件电路设计 11
4.1 CC2530最小系统的电路 11
4.2 电源电路 13
4.3 按键电路 13
4.4 串口转USB电路 13
4.5 复位电路和Debug电路 14
4.6 Flash电路 15
4.7 LED电路和液晶电路 15
4.8 HCP52传感器电路 16
5 系统软件设计 17
5.1 原始体征数据采集模块的设计 17
5.2 体征数据分析与处理模块的设计 19
5.3 编码体征数据无线发送模块的设计 21
5.3 数据显示模块的设计 22
6 系统测试与运行 23
6.1 各模块功能测试 23
6.2 系统总体测试 27
结 论 28
致 谢 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
参 考 文 献 30
附录A 协调器底板电路图 32
1 引言
1.1 课题研究的背景
呼吸、体温、脉搏、血压，医学上称之为人类生命四大体征[1]，它们是人类生命是否存在的标志性指标，也是用来判断机体健康状态的基本依据。正常人的生命体征稳定在一定范围之内[2]，当体征数据出现异常时，通常意味着病情的变化。对于康复期、手术后、围产期的病人如果能持续监护病人的健康状态，实时记录病人的生命体征，对临床正确诊断、及时治疗及护理有重要意义，也有助于医护人员全面掌握病人的生命体征变化情况，从而在第一时间采取有效的救治措施。目前，医院对病人生命体征的监控主要采用定期测量方式，由医护人员每隔一段时间对病人进行测量。采用该方法存在着以下弊端：（1）定期方式在两次测量之间存在着真空期，在此期间的异常和突发情况无法实时监测，从而丧失最佳抢救时机，因此必须需要对某些疾病(如脑溢血、心脏病)进行生命体征的连续实时监测；（2）每次测量易对病人形成干扰，尤其是夜间，既影响病人的休息，也可能导致病情突变；（3）定期测量方式获取的体征数据是非连续的，存在较大的间隔，使得医护人员无法及时掌握病人病情及判断病人病情变化趋势；（4）体征数据具有不同表现，如脉搏的快慢缓急稳定与否，蕴含着丰富的病情信息，中医医生甚至能通过搭脉的方式来对病人进行疾病诊断，充分证明了这些数据所具有的高临床价值，而人工测量无法定量采集这些数据。
物联网的出现是一次新的信息产业浪潮[3]，顾名思义，物与物相连的互联网即是物联网。近年来，物联网技术经常被用于医疗和护理领域，其中患者生命体征医疗监测是较为热门应用之一[4]。本设计融合传感器、无线网络等新兴信息技术以解决远程监测病人生命体征的难题。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究现状
美国较早提出生命体征监测这一命题，其对该领域的研究较深入，并且其应用范围主要集中于军事领域。如美国军方研制的一种供作战时使用的个人生理状态监护仪PSM(Personal Status Monitor)可以监护战士的呼吸、体温等重要的数据，而且可以把数据发送给负责救护的医疗兵，这种仪器在战场使用将大大降低士兵在战场上的死亡率，实用性非常强[5]。美军的WPSN系统[6]可以同时检测士兵的体温、脉搏、血压、呼吸并以无线传感网传输体征信息[7]。欧盟也资助了多个体征监测项目，其中最为著名的就是被称作 Ambulance and Emergency112[8]。
1.2.2 国内研究现状
相比于欧美等国家，国内则较晚开始研究生命体征监测系统。第四军医大学研制了一种战场无线生命体征监测系统[9]，通过GSM无线网络传输士兵生命信息，用于救治现场和后送途中对伤员的监护。清华大学研制的心电、血压家庭监护系统，可以实时监测人体心电信号，可通过移动网络传输到远程数据中心和终端移动设备[10]。另一种旨在提高空巢老人健康水平的“空巢老人基本生命体征监测系统”，能够对空巢老人的体温、脉搏、呼吸等生理参数进行实时监控[11]。
上述研究项目主要针对军用或家用，而用于临床病人生命体征监测系统未见相关国内产品。
1.2.3 发展趋势
近年来，智能穿戴式医疗监测仪正成为国内外生命体征研究监测研究的热点。如MyHeart心血管疾病监测智能穿戴系统[12]、LifeShirt生命杉、AMON腕式健康与预警网络监护仪器[13]、ViSi Mobile可穿戴式监测仪[14]。其中具有代表性的产品是由美国VivoMetrics公司开发的LifeShirt生命衫，它是一款可以连续、无创、移动式收集生命体征的系统，重量仅为8盎司。图1为LifeShirt[15]实体图片。
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