基于物联网的智慧病房设计与仿真

空岛小智
2024-06-27

针对传统病房低效的痛点，为提升病人就医体验，本文利用物联网技术设计了一种智慧病房系统，打造新型病房环境。可实现对病房环境、病人住院期间身体指标的实时监测和异常报警，护士端界面设计可视化前端，用于实时监测和管理，方便高效就医。

在现行的医疗体系中，住院患者的治疗效果和康复速度很大程度上取决于医护人员能否迅速获取患者的生理数据并响应其治疗需求。但目前，医疗护理人员还无法实现对患者的实时监控和及时响应，这不仅影响了患者的康复进程，也可能引发医患之间的矛盾。针对这一现状，本文提出了一套基于物联网技术的智能病房解决方案，目的是解决现有病房管理的难题，打破信息孤岛，优化患者的医疗体验，并减轻医护人员的工作负担[1]。此外，该系统通过传感器收集病房内的环境参数如温度、湿度、烟雾浓度，以及患者的体温、输液情况等数据，并进行深入分析，这不仅能够更准确地监测患者的生理状况，提高监测的即时性和准确性，有助于治疗方案的动态调整，同时也为医疗大数据的分析和共享提供了坚实的基础。

系统总体设计

本文以患者需求为核心，病房环境为操作平台，全面审视了目前病房数据传输的时效性问题和医护人员工作负担的实际情况，对系统采取了模块化设计方法，以更精确地识别并解决实际问题。

**数据采集模块**：构成系统信息分析的基础，本文主要依托传感设备来实时监测病房环境和患者的生理指标，并将这些数据即时传输至数据分析模块，以实现对患者治疗的精确辅助。

**数据传输模块**：针对病房因使用固定有线传输而可能出现的线路杂乱无章和医院对环境整洁的追求，本文根据病房的布局特点，在数据传输环节选用了ZigBee设备作为连接的桥梁，完成数据的收集、汇总和转发控制。鉴于单一ZigBee设备能够管理多达255个数据采集设备，每个病房仅需部署一台FFD设备即可满足监控需求；FFD设备支持星型、树型、网状等多种网络拓扑结构，能够为病房区域构建一个既安全又高效的信息传输网络，确保数据传输的迅速性和稳定性。

**数据分析模块**：将实时采集的数据上传至网络中心进行集中处理，运用数据分析算法来评估病房环境和患者的健康状况，依据建立的分类模型提供治疗建议，帮助医生及时监控患者的生理指标，实现对异常情况的早期发现、早期干预和早期治疗。

**数据显示模块**：通过云平台在护士站工作台的终端设备和走廊的显示屏上展示病房收集的数据，多屏幕动态更新展示数据变化趋势，使医生能够更直观地监测患者的身体变化和实时需求，跟踪患者的康复进程，营造一个高品质的医疗环境。

硬件设计

硬件设计由三个层次构成：感知层、网络层和应用层。感知层的职能是实时监测病房环境和患者健康状况的关键指标。根据病房环境和患者需求，感知层监测的内容包括：病房的温度和湿度、烟雾浓度、光照强度、患者体温、输液状态、是否需要呼叫医生；所采用的传感器包括：温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、光照强度检测器；此外，还包括输液报警装置和紧急呼叫按钮等设计。网络层利用ZigBee无线传感网络技术，对各个终端传感器节点收集的实时数据进行汇总，采用去中心化的网状网络拓扑结构，这种自组织的多跳网络具有强大的自愈能力，非常适合应用于病房这种短距离、多功能、多模块连接的复杂环境。通过路由节点的数据汇总，将病房环境数据和患者病理指标传输至病房协调器，由协调器负责网络的构建和数据的转发，将数据发送至网络中心进行集中处理。

以单个病房作为基本单元，每个病房都装备有各类传感器、路由节点和协调器。路由节点负责收集来自终端传感器节点的实时数据，并将其传输至病房协调器。ZigBee协调器对收集到的病房数据进行整合和打包，然后将数据向上汇总至网络中心进行处理。

软件设计

在硬件完成数据采集之后，接下来的步骤是通过软件设计来处理和展示这些数据。软件设计包括数据分析模块和数据显示模块。设备终端利用无线通信模块，在EDP协议的支持下，将收集到的数据上传至OneNET云平台，从而实现病房设备与云平台的互联；一旦连接建立，系统便开始读取传输过来的数据，如烟雾浓度、人体温度、环境温湿度等。OneNET云平台对收集到的病房环境数据和患者身体数据进行分类存储和实时更新，并通过数据分析算法来评估病房环境和患者状况，构建分类模型，以便于医生进行深入的数据分析、及时监控和治疗决策。

数据显示模块在护士站工作台的前端界面上创建了一个展示页面，通过云平台将病房信息同步更新至护士站工作台设备。这样，医护人员可以在护士站的工作台设备上实时查看各个病房的环境监测数据和患者身体状况的变化。云平台的实时数据更新功能允许通过历史数据追踪各项参数的变化趋势，评估患者的生理状态和康复进程，从而省去了繁琐的手工记录和核对工作，减少了在不同病房间的频繁移动，大幅提升了临床护理的工作效率。

此外，在走廊增设的液晶显示屏与护士站工作台同步，接收OneNET云平台传来的数据异常报警和患者呼叫信息，并根据接收时间顺序在显示屏上进行展示。这一功能有助于防止医护人员因未能及时注意到患者报警或呼叫信息而错失最佳治疗时机。

系统仿真

为了验证所提设计的有效性，接下来将在模拟的病房环境中开展仿真实验。智慧病房的仿真实验采用STC12系列中的STC12C5A60S2型号芯片作为核心控制单元，利用LCD1602液晶显示屏来模拟走廊上的显示屏功能，通过ESP8266模块实现与WiFi的网络连接；

所选用的检测传感器包括：- YW03非接触式液位传感器，用于监测输液状态。- DS18B20数字温度传感器，用于测量环境或患者体温。- DHT11传感器，用于监测环境的温湿度。- MQ-2烟雾浓度传感器，用于检测病房内的烟雾浓度。

呼叫报警模块由以下部分组成：- 蜂鸣器，用于发出报警声音。- LED灯，用于指示报警状态。- 电容触摸按键，用于患者或医护人员发起呼叫。同时，实验中还利用OneNET云平台来实现设备与上位机之间的数据交换和展示。

智慧病房的构建融合了多样的管理系统和先进的数字化设备，促进了医护人员与患者之间的高效交流，确保了数据监测的精确性和真实性。患者可以直接感知并操作这些系统，从而增强了住院体验和舒适度，有助于患者的快速康复。同时，为医生们提供了直观的操作界面，便于对整个病区的病房进行集中和高效的管理；完备的异常报警和呼叫功能，满足了医院多样化的需求。经过仿真测试，系统显示出良好的性能，达到了预期的功能目标，展现出较高的实用价值，并为未来的深入研究奠定了技术基础。

结语

本文所提出的智能病房设计方案，通过网络平台和云服务实现了数据的即时监控、展示及更新。护士站的工作台界面和走廊的液晶显示屏能够清晰地展示患者的实时状态和需求，显著提升了患者的就医体验和医生的管理效率。该设计允许远程实时监控病房环境和患者信息，降低了医护人员频繁进出病房的需要，及时响应患者需求，为患者创造了一个宁静的康复环境，减少了医患之间的矛盾，营造了一个既舒适又高效的新型病房环境。

然而，本文中的监测数据较为通用，缺少特定病患群体的针对性。未来的研究将针对不同专科的患者需求进行定制化设计，例如：在母婴病房中加入婴儿防盗系统，心脏科室配备心电图监护设备，呼吸科病房安装血液监测仪器，以及在重症监护病房中实现脉搏、心率、血压的持续监控等，以提升智能病房系统的专业适应性，确保为患者带来更加便捷、舒适、安全和高标准的医疗服务。