新生儿监护病房无线体温监测系统设计

张赛 戴一鸣 张慧慧 柴苏婉 王一哲

摘 要：体温是临床上用于医疗诊断和病人监护常见且重要的生理参数。本文提出一种用于新生儿监护病房的无线体温监测系统，主要由体温采集节点、路由节点和控制中心组成。体温采集节点获取的体温数据通过ZigBee无线网络直接或间接通过路由节点中转上传至护士站的控制中心，然后利用PC机上位机软件实现体温数据的接收、存储、显示和异常报警。该设计能准确、高效、动态反应体温变化，大大减轻医护人员的工作量并提高其工作效率。

关键词：ZigBee;体温监测;数字体温传感器

1 绪论

体温是基础生命体征之一，是判断人体健康尤其是新生儿健康与否的重要依据。根据新生儿监护病房要求，医护人员2～4小时便要测一次新生儿体温。目前新生儿监护病房常用的体温计主要是水银体温计。[1]水银体温计价格便宜，准确度可靠，但是水银体温计测温时间较长，一般需要5 min左右，使用时需放在新生儿肩胛下，[2]会带来一定不适感。近年来，随着电子技术的飞速发展，医疗监护获得了更为广阔的发展空间，将无线传感器网络应用于医疗的案例也越来越多。为解决现有新生儿体温监护中存在的问题，本文设计了一种基于ZigBee的无线体温监测系统。

2 方法

2.1 总体方案

ZigBee是一种短距离无线通信技术，基于IEEE802.15.4标准，具有低功耗、低成本、低复杂度、多节点等优点。ZigBee的网络设备主要分为协调器、路由器和终端节点，网络拓扑结构主要有星型网络和网状网络两种。星型网络仅包含一个协调器节点和若干个终端节点，每个终端节点都只能与协调器进行双向通信，适用于数据传输范围小，节点数量少的场合。而网状网络由一个协调器和一系列的路由器和终端节点组成，具有更加灵活的信息路由，使得信息的通讯变得更有效率，增强了通讯的可靠性。根据我国大部分医院病房分布在护士站的两侧的特点，对于距离护士站较远的病房，需通过路由中继。

根据ZigBee网状网络的控制机制，设计的系统包含三层硬件结构：第一层是控制中心，第二层是路由节点，第三层是体温采集节点。三层硬件结构都需配置ZigBee模块，设置相应的设备类型，实现ZigBee网络的组建。控制中心相当于整个系统的网关，配置ZigBee协调器模块，负责建立、管理和维护 ZigBee 网络。控制中心还带有通信接口，用于与上位机连接，实现上位机与控制中心之间的交互式通信。体温采集节点佩戴在新生儿身上，功能是采集新生儿体温，并经ZigBee无线网络发送至控制中心，因此体温采集节点的ZigBee模块配置为ZigBee终端节点，通过ZigBee终端节点加入控制中心建立的ZigBee无线网络，将采集的体温数据传送至控制中心。路由节点配置为ZigBee路由器，是信息的中转站，系统设置多个路由节点分别安装在不同的病房门口，距离路由节点较近的体温采集节点采集的体温数据通过相应的路由器中转至控制中心，再由控制中心上传至上位机显示存储。新生儿监护病房无线体温监测系统的整体结构如图1所示：

2.2 控制中心

控制中心是ZigBee传感器网络的中心，网络的建立和维护管理都由其担负，通过无线信道与路由器节点联系，通过有线接口与上位机通信。ZigBee网络的建立与控制采用德州仪器SOC芯片CC2531，是一款具有USB功能的片上系统解决方案。它内置ZigBee 2007 协议栈，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee 协议，具备出色的接收灵敏度和抗干扰性，只需极少的外围电路就能实现 ZigBee组网。

CC2531芯片支持标准USB2.0 通信规范，只需简单的电路连接USB接口器件就可实现与PC的虚拟串口通信，减小电路的体积与设计成本。通过USB接口还可以从PC获取5V 电源，经电源转换成3.3V即可为CC2531提供工作电源。控制中心硬件框图如图2所示。

2.3 体温采集节点

为方便携带以便实时测量体温，体温采集节点采用可充电电池供电，节点的硬件设计要相对简单，功耗要低且体温测量精度要高。体温采集终端主要包含数字温度传感器和ZigBee终端。

2.3.1 数字温度传感器

传统的体温测量主要是采用负温度系数的热敏电阻（NTC热敏电阻）作为温度传感器。NTC热敏电阻精度不高，而且电路设计复杂。现如今市场上出现了大量的数字传感器芯片，具有精度高、无需校正、无需模拟电路设计等优点。下表列出了市场上常见的几款数字温度传感器。综合考虑精度、功耗、接口等因素，本文选用T2545。

2.3.2 ZigBee终端节点

ZigBee终端节点即为设置ZigBee设备类型为终端的ZigBee模块。CC2530是CC2531的姊妹设备，和CC2531的区别在于它不具有USB功能。使用CC2530芯片设计了一个通用 CC2530 最小系统模块，作为ZigBee终端节点。ZigBee终端节点与数字温度传感器T2545通过UART接口相连。

2.4 路由节点

路由节点作为数据通信的中继，用于扩大网络的通信距离，降低终端节点的通信功耗。将CC2530 最小系统模块模块设置为路由器设备类型作为路由节点。

2.5 软件流程

软件设计包含驱动程序和无线网络通信程序两个部分。驱动程序主要是体温采集节点中数字温度传感器进行体温数据的采集、运算和数字信号输出。为了简化体温采集节点中T2545体温采集的过程，T2545设置为1S检测一次体温数据，并通过串口自动输出上传至ZigBee终端节点。无线网络通信程序根据ZigBee协议栈开发。

系统上电后，控制中心和路由节点、体温采集节点进行设备初始化，三者之间搭建ZigBee网络通信平台。系统各部分软件流程图如图3所示：

图3 系统软件流程图

控制中心负责完成网络组建、维护、控制终端节点的加入等，并将收到的数据通过USB接口传送至上位机存储与显示。在整个系统的数据传递方面，协调器就相当于一个信息中转站，负责将体温采集节点采集的温度数据中转给上位机。

体温采集节点上电后，ZigBee模块进行初始化并加入ZigBee网络，T2545在稳定之后自动按设置的定时时间检测新生儿体温，并通过串口自动发送到ZigBee终端节点。ZigBee终端节点收到串口数据通过ZigBee无线网络上传至控制中心。对于距离控制中心较远的ZigBee终端节点，则通过路由节点中转至控制中心。

3 结语

本文提出一种用于新生儿监护病房的无线体温监测系统，采用数字温度传感器T2545实现新生儿体温的实时采集，通过ZigBee无线网络上传体温数据至护士站。与传统手持式水银温度计人工定时测温并记录相比，本系统实现了无线、快速、准确、实时的体温监测，大大提高了体温医疗监护的水平，具有较高的使用价值。

参考文献：

[1]任艳芳，李淑兰，甄丽娟，等.新生儿水银体温计腋温测量时间的探讨[J].中国医刊，2015（3）：100-102.

[2]王兰锋.新生儿重症监护室患儿测量背部肩胛温的方法和时间新探讨[J].国际护理学杂志，2012，31（4）：702-703.

[3]石波，张赛，张根选，等.面向医学院校的单片机课程实验教学设计[J].齊齐哈尔医学院学报，2018，39（2）：218-219.