基于WIFI组网的智能病房监控系统-论文

目录摘要： 1第1章绪论 21.1项目背景及意义 21.2项目概述 21.3项目研究内容概要 3第2章硬件设计 42.1系统总体设计 42.2系统整体结构 42.3器件选型 62.3.1采集部分 62.3.2病房主控部分 72.3.3中央节点 82.4硬件电路设计 82.4.1数据采集部分 92.4.2病房主控部分 10第3章软件设计 113.1数据采集程序流程图 113.2WIFI组网 12第4章结论与展望 15参考文献 15附件： 16实物图片展示 16基于WIFI组网的智能病房监控系统摘要：随着我国慢慢进入老龄化就医人数不断增加，医院对病人的监护将面临严峻的考验。同时微电子技术和信息技术的发展与应用，卫生医疗领域正进行着一场信息化的革命。在医疗监护领域，传统的监护手段己经越来越不能满足当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。在此背景下设计了一款基于NRF24L01无线模块和WIFI组网的智能病房监控系统力求缓解当前严峻的情况。本系统采用msp430单片机采集数据并对病人情况进行评估，采集部分通过NRF24L01无线模块将评估后的结果传到STM32作为主控的WIFI节点最后将数据汇聚到护士站的电脑上位机上显示。关键词监护系统NRF24L01WIFI组网msp430STM32星型结构BasedontheWIFInetworkintelligentmonitorandcontrolsystemforwardAbstract:alongwithourcountryslowlygrowingNumbersintotheagingtreatment,thehospitaltothepatient'scarewillfaceaseveretest.Withthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandinformationtechnologyandapplicationofhealthsectorisundergoingarevolutionofinformationtechnology.Inthefieldofhealthcare,traditionalmeansofmonitoringhasbeenmoreandmorecannotsatisfydiversifiedtoday,informationization,personalizedhealthcareneeds.UnderthebackgroundofthedesignedamodelbasedonNRF24L01wirelessmoduleandWIFInetworkintelligentmonitorandcontrolsystemforwardtoalleviatethecurrentseveresituation.ThissystemUSESmsp430andIAP15F2K61S2single-chipcomputerasthedataacquisitioncontrolandassessmentofthepatient'sconditionismaincontrolboard,theacquisitionpartthroughthewirelessmoduleNRF24L01theassessmentresultstotheSTM32asmasterofWIFInodeswillfinallydatatothenursestationcomputerupperonthedisplay.TheWIFInetworksystemadoptsstarstructurehassimplestructureandsimplemaintenance.第1章绪论1.1项目背景及意义随着微电子技术和信息技术的发展与应用，卫生医疗领域正进行着一场信息化的革命。在医疗监护领域，传统的监护手段己经越来越不能满足当今多元化、信息化、个性化的医疗监护需求。医院在对病人进行监护治疗过程中,需要根据病人的治疗情况随时了解当前病人的身体情况。目前,对病人监护普遍采用人工方式，由护士或者医生走访病房查看情况记录病人各项身体情况以及输液等治疗情况特别是输液情况。目前,对静脉输液的监控普遍采用人工方式，由护士根据经验,将速度调至合适值。当液体输完时,如床旁无陪护或医护人员未及时换药或拔针头,将会出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况。轻则延误治疗,给病人造成痛苦,重则会严重危及患者的身心健康,发生不可弥补的医疗事故。为此患者家属需要不断地观察输液情况，因此病房会有大量陪护人员，这样容易导致交叉感染，发生不可弥补的医疗事故。同时，护士也需要不停地巡视病房，增加工作负荷，有时还会产生医疗纠纷。在安全照顾方面，现目前还是采用人工照顾和查看病人状况，在这种情况下如遇病人突发危险情况恰巧此时照顾人员外出或者由于疲劳不在状态没能及时发现病人的危险状况，这种情况在争分夺秒的病人急救情况下是不容许出现的。如遇这种情况很容易错过病人的最佳治疗时机。针对现有技术，提出开发一种基于单片机和无线通信技术的智能监控系统，旨在克服传统临床输液和日常监护中由于患者、陪护或医护人员随时观察监视病人状态,解决精力大、效率低、不利于病区的综合管理的弊端。该设计将具有重要的理论和实际应用价值，对提高我国医疗器械水平将会产生具大的影响。1.2项目概述系统主要采用单片机来实时采集病人的身体状况的相关信息（如：体温、脉搏、血压等）以及时实时监控输液情况，单片机将对采集到的病人情况进行评估然后通过NRF24L01无线模块将评估的结果发送到每一间病房的主控上。然后每一间病房的主控再用WIFI模块组网，将病人的评估情况通过WIFI传输到护士站的电脑上位机上显示出来，如遇紧急情况还可以及时报警并通知值班医生（如：某病人手术后体温突然急剧上升系统将立刻报警）让病人能得到及时的治疗。数据采集部分：数据采集部分分为病人身体情况检测和输液检测。病人身体情况检测采用msp430单片机作为主控芯片对采集的病人温度及其它参数进行智能评估然后将评估数据通过NRF24L01传到每间病房的WIFI节点上。输液检测采用重力传感器和温度传感来分别对输液袋和病人体温进行检测，检测主控芯片为msp430单片机对实时的输液情况进行检测并通过NRF24L01传到每间病房的WIFI节点上。WIFI组网部分：WIFI部分采用STM32为主控芯片对接收到的数据打包并传到中央节点。在每一个病房中都有一个有STM32病房主控。上位机部分：上位机主要任务是用来对输液情况进行实时的监控。同时可以对病人的身体情况信息进行统计显示。1.3项目研究内容概要本系统数据采集传感器方面的技术已相当成熟，将现有技术应用于该系统是完全能够满足此系统的需求。所以本系统的难点主要集中在如何将采集评估后的结果实时并且稳定的传到病房主控上然后病房主控又将数据集中打包传到路由上最终实时稳定的在上位机上显示出来。这其中需要解决多个NRF24L01在病房中组网如何正确的将病人数据准确的传到病房主控且主控还要知道接收到的数据是属于谁的。通过病房主控将病房所有病人数据接收后然后将数据打包通过传到路由上，最终通过上位机显示出来，这其中WIFI组网是一最难的一个环节。本项目的WIFI组网是采用星形结构的简单方式组网，但是星形结构有一个弊端就是每一节点都要通过中央节点才能将数据发送出去所以中央节点的构造是比较复杂的，一旦发生故障整个通信系统就要瘫痪。所以如何提高中央节点的可靠性是研究的重点。图1-1系统节点框图第2章硬件设计2.1系统总体设计作为病房监护系统，再设计上必须考虑到此系统的特殊性关乎到使用者的生命安全的一套设备。所以在设计必须合理、安全、稳定同时出于实际考虑还应具有一定的可扩展性以及性价比等。根据这一设计思想，设计出一套符合要求的智能病房监护系统，具体功能如下：输液监控系统监测输液袋重量、温度传感器监测病人体温；病人监控模块检测病人体温、脉搏、血压等信息；（可扩展）NRF24L01模块将数据传至病房主控模块；主控模块通过WIFI将接收到的数据传出去；系统具有安全、可靠、使用、经济等特点。按功能分可将系统分为数据采集模块、数据传输模块、人机交互模块。2.2系统整体结构本系统支持每间病房的每个病人身体情况的监测，使用温度传感器、血压传感器、脉搏传感器等传感器采集病人的相关数据然后将数据传至单片机进行智能评估，单片机将评估结果及相关数据再发送至每间病房的主控上，主控上可以显示当前此病房所有病人的情况。主控再将收到的评估结果及数据发送到中央节点上，然后护士站的电脑连接中央节点读取数据并显示。系统框图如下；图2-1采集部分框图图2-2输液部分框图图2-3WIFI传输部分框图2.3器件选型2.3.1采集部分（1）主控：病人身体数据采集主控采用msp430。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。msp430具有以下特性：处理能力强：MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快：MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。超低功耗：在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。（2）温度传感器：系统温度传感器采用DS18B20温度传感器.DS18B20具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。技术性能描述：技术性能描述①、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。②、测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。④、工作电源:3.0~5.5V/DC（可以数据线寄生电源）⑤、在使用中不需要任何外围元件⑥、测量结果以9~12位数字量方式串行传送⑦、不锈钢保护管直径Φ6⑧、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温⑨、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选⑩、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。（3）重力传感器输液液体的称重采用CZL-A重力传感器，其技术特性如下：CZL-A系列称重传感器是一种力电转换元件，是一种力传感器，即考虑到使用地点重力加速度和空气浮力的影响，把被测量的质量转换为另一种被测量（电信号），来测质量的力传感器。CZL-A型称重传感器用于将质量转换成电量，是电子衡器的重要组成部分。CZL-A系列称重传感器精度高，完全满足R60号国际建议C3级及GB/T7551-2008中C3级的要求，产品径近二十年的研究与发展，具有优良的长期稳定性，达到了囯际先进水平。本产品安装使用方便，结构设计合理，四角误差小。产品在国内外得到了广泛应用。（4）其他传感器：脉搏传感器、血压传感器等。数据传输：本系统数据采集部分的数据通过NRF24L01模块传至病房主控模块。nRF24L01简介：nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。其输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。性能参数：①小体积，QFN204x4mm封装②宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入③工作温度范围，-40℃～+80℃④工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz⑤发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm⑥数据传输速率支持1Mbps、2Mbps[1]⑦低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA⑧126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要⑨增强型“ShockBurst”工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制⑩数据包每次可传输1～32Byte的数据⑪4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度⑫MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送2.3.2病房主控部分（1）主控病房主控部分采用STM32F103作为主控芯片用来接收和发送数据同时显示数据。STM32简介：STM32F103系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。芯片集成定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。内核:①ARM32位的Cortex-M3②最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1）单周期乘法和硬件除法低功耗:①睡眠、停机和待机模式②Vbat为RTC和后备寄存器供电DMA:①2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道②支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART③多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)④26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号编码器输入:①1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器②2个看门狗定时器（独立的和窗口型的）③系统时间定时器：24位自减型计数器④多达9个通信接口：⑤2个I2C接口(支持SMBus/PMBus)⑥3个USART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制）⑦2个SPI接口(18M位/秒）⑧CAN接口（2.0B主动）⑨USB2.0全速接口（2）显示主控部分集成了一款3.2寸液晶显示屏可以显示病人的当前情况（比如：温度、脉搏等信息）。（3）数据传输主控模块的数据传输主要有数据接收和数据发送。数据接收采用NRF24L01接收来自数据采集模块的数据。数据发送采用串口WIFI模块组网。串口WIFI模块选用ESP8266串口WIFI模块。ESP8266简介：模块基本特点：1、支持AP(路由器)，STA（端点模式），AP+STA模式，可软件切换，复位后新模式有效2、供电电压3-3.6V，峰值输出功率20DBM。峰值电流240毫安。这个级别的输出功率和灵敏度距离空旷一般在100米左右。3、模块分AT指令执行方式，与全IO引出方式。4、ESP8266内部跑LWIP协议，为32为MCU系统。外部FLASH最小1M。系统庞大，跑嵌入式操作系统，可利用资源为内部的MCUFLASH和RAM，并且有5个IO口以及一个串口可供调用。因此资源有限，不大不小，外部FLASH放程序，容易被读出，因此外加CPU保护自己的程序可谓必须的。。乐鑫原厂内部的专业工程师，对庞大的系统封装成AT指令控制格式，也就是用串口调用十几个AT指令，能完成自己想要的东西。2.3.3中央节点中央节点采用STM32F103为主控芯片，数据接收采用ESP8266串口WIFI模块。中央节点和PC端上位机通信采用串口通信。2.4硬件电路设计2.4.1数据采集部分数据采集部分的主控采用msp430单片机，传感器用DS18B20,数据传输采用NRF24L01无线模块。设计电路图如图2-4.图2-4数据采集部分原理图输液监测系统原理图框图如下。图2-5输液原理图2.4.2病房主控部分病房主控部分采用STM32F103为系统的主控芯片，采用NRF24L01为数据接收模块，采用ESP8266串口WIFI模块为数据发送模块，并采用3.2寸液晶显示数据。中央节点主控模块采用病房主控模块相同的原理图。原理图如图2-5.图2-6主控部分原理图第3章软件设计系统软件主要分为两部分即单片机程序部分和上位机程序部分。其中单片机程序部分采用C语言编写。3.1数据采集程序流程图本部分采用msp430为主控芯片选择一个I/O口作为DS18B20的数据口。同时采用单片机的硬件SPI对无线模块NRF24L01进行操作。图3-1数据采集流程图输液部分同样采用msp430为主控芯片，只是在与基础上增加重力传感器。软件流程图如下。图3-2输液监控流程图3.2WIFI组网病房主控模块主要有NRF24L01无线模块的数据接收、液晶显示以及WIFI发送数据。其中WIFI使用串口WIFI模块，及需要配STM32F103的UART模块，通过单片机UART发送WIFI模块的AT指令来配置WIFI模块。通过WIFI模块组网思路如下：STM32通过串口发送串口WIFI模块的相应AT指令将中央节点模块配置为AP模式同时设置相应的参数（即：WI