基于ARM和WiFi的互联网多终端病房监护系统设计

0　引　言

目前，随着我国步入人口老龄化阶段，老年病人的看护问题日渐受到关注。经调查，目前医院对病人特别是老年病人的看护，多数仍采用传统的人工查房方式，或采用布线式的监护系统，效率低、效果不佳、可维护性差[1]。物联网技术的发展进一步提高了传统设备的智能化水平，利用物联网技术对传统的硬件系统稍加改造就可实现远程监控功能[2]，如在传统系统中加入以太网接口模块、WiFi模块等可联网的硬件资源，并在软件上进行修改，就可实现远程控制功能。相对于传统独立式布线系统而言，该技术可超越时空限制，在任何可上网的地方，均能远程监控异地设备的信息，极大地改善了用户的使用体验。本文以医院病房监护系统为例，进行远程监控系统的设计，系统主要通过红外传感器监测病人是否起床，并将相关信息实时传送至接收终端，及时提醒医护人员到相应病房查看。若要拓展增加其他监护功能，只需将相应传感器或者设备嵌入到本系统即可。

BIM平台的资产管理是利用BIM模型的相关信息，运用信息化技术增强资产监管力度，降低资产的闲置浪费，减少和避免资产流失，使业主在资产管理上更加规范，进而从整体上提高业主资产管理水平。

1　系统的方案设计

远程监护系统的设计思路是：利用STM32单片机采集病房的传感器信号，并通过串口通信的方式以AT指令控制串口WiFi模块，将现场的传感器信号实时地上传到云服务器，再实时传送给接收终端。系统设置了三种接收终端，分别是通用嵌入式接收终端、安卓手机APP接收客户端、PC上位机接收端。当某个床位的红外对射传感器所组成的电子围栏被病人触发时，该报警信息会实时传送至上述三个接收终端。其中，手机接收客户端产生震动的同时播放音乐，并在屏幕上显示相应的病房号、床位号等信息，用户可以触动屏幕上的按钮来解除警报状态，并到相应病房对应的床位查看实际警报情况，还可查看历史警报信息；PC上位机接收端同样也会显示报警的病房号与床位号，同时发出警报声，用户可以点击按钮来解除警报声音，也可查看历史警报信息；硬件接收终端会产生震动提醒，并且在OLED显示屏上显示警报的房间号与床位号，用户通过按键解除震动提醒。

系统由信息采集与传输端、云服务器平台、监控终端设备组成，总体组成结构见图1。其中，监控终端设备包括基于LabVIEW编程平台设计的PC上位机，基于E4A安卓编程平台设计的手机客户端和通用嵌入式接收终端设备。

AT（Attention）指令是应用于终端设备与控制器之间的连接与通信的命令。单片机通过AT指令控制 WiFi模块。每条AT命令行中只包含一条AT指令，对于AT指令的发送，除AT两个字符外，最多可接收1 056个字符的长度，指令以回车作为结尾，响应/上报以回车换行为结尾。STM32C8T6单片机有3个串口资源，本次设计中采用串口2，它与无线模块之间的通信波特率为115 200 bps。

张亦民：《浙江第一师范在新文化运动中的地位和作用》，《张亦民史文选》，张亦民自印资料2000年9月印刷，第37页。

  

图1　系统的总体结构

2　系统的硬件设计

2.1　信息采集与传输端设计

信息采集与传输端主要用于现场红外线电子围栏触发信号的采集与传输，并将相应的信息按照与接收终端约定的信息编码方式通过互联网上传到云服务器。信息采集与传输端的结构见图2。

2.1.1　红外对射传感器模块电路

红外对射传感器的作用相当于一个开关，当红外线发射管与接收管之间被障碍物遮挡时，开关就自动闭合，否则会断开。本文采用的ABO-20型红外对射传感器，是一款单光束红外对射模块，输入电压为12～24 V，有效距离在20 m以内，完全满足医院病房床位的使用要求。传感器模块电路如图3所示。

  

图2　信息采集与传输端结构

  

图3　传感器模块电路

系统采用12 V直流电源给传感器模块供电，S_in和S_out分别是红外对射传感器模块对外提供的开关引脚，即为该模块内继电器的输出引脚，作用相当于一个开关。每款单片机连接红外对射传感器的最大数目为16个，按4×4矩阵键盘的方式连接，即每个信息采集与传输端可满足4～5个病房的使用，也可每个病房单独使用1个，以提高系统的可靠性。

2.1.2　STM32C8T6最小系统

我国经济法与其他法律最大的不同点就是其对全国所有体系进行要求，其有权对所有对社会利益造成危害的体系问责。经济法以社会利益为保护主体，明确落实问责制度，规定任何个体、组织不管出于何种目的都不能损害我国经济，给社会各个阶层敲响保护经济健康发展的警钟。监督所有个群体组织，促使其保护我国经济。

系统采用STM32C8T6作为信息采集与传输端的控制核心，其具体配置为：实时时钟，中断控制器，省电模式，JTAG and SWD调试接口，3个具有输入捕捉功能的16位定时器，PWM，16位6通道高级定时器，2个16位看门狗定时器，系统滴答定时器，2个SPI接口，2个I2C，3个 USART，USB 2.0全速接口，CAN 2.0，2个12位10通道A/D转换器，快速I/O口[3]。

稻壳是稻米谷粒的外壳，是白酒生产普遍使用的优良辅料。利用其稳定的纤维结构、不参与或干扰微生物发酵活动的物性[1]，在发酵过程中起到调整酒醅中的淀粉浓度、冲淡酸度、吸收酒精、保持浆水的疏松和填充作用，创造微氧环境，进而保障出酒率和酒质。在蒸馏过程中，稻壳使酒醅有适宜的疏松度，利于甑桶蒸馏效能的发挥，使发酵产生的乙醇和数百种微量香味成分得到理想的提取效果[2]。

STM32C8T6的最小系统电路如图4，包含：带按键的可手动复位电路，为STM32C8T6提供工作节拍的晶振电路（晶振频率为8 MHz，经内部电路转换可使主频达72 MHz），为内部自带的实时时钟电路，提供时钟基准的晶振电路（晶振频率为32.768 kHz），串行调试接口电路。设计中采用ST-LINK V2仿真器进行程序下载，并启动模式选择电路，其3种启动模式见表1[4]，系统配置为从程序闪存存储器启动即BOOT0=0，BOOT1=1。

  

图4　STM32C8T6最小系统电路

 

表1　STM32的BOOT启动模式

  

BOOT0　BOOT1　MODE 0 X FLASH 1 1 SRAM 1 0 ISP

2.1.3　WiFi无线通信电路

值得注意的是，由于我国钢铁生产企业各自的操作规程不同，炉批材料的成分和性能也不一致，虽都符合材料标准，但波动范围大，材质的一致性、均匀性和稳定性较差。同时，国内钢铁生产企业众多，各自技术水平、设备生产能力不同，导致航空用钢铁材料的性能数据较为分散，离散系数大[9]。

Delay(2000);

ESP8266模块的最小系统接线电路如图5所示。该模块对电源稳定性要求高，因此，电源与地之间要加滤波电容[6]。其中，器件烧写选择端接地时，模块处于烧写固件模式，通过串口可以将固件写入芯片。系统烧写的是AiCloud2.0版本的AT指令固件，STM32单片机通过串口发送AT指令控制模块的运行。其中，P4串口通信端连接STM32的串口2引脚，即GND连STM32的接地，TXD接 STM32的PA2管脚，RXD接 STM32的PA3管脚。

  

图5　ESP8266最小系统

ESP8266可实现串口透传、PWM调控、GPIO控制等主要功能。串口透传时，数据传输的可靠性好，最大的传输速率为460 800 bps。由于传送的数据包较小，设计对传送速率要求不高，故选用默认的115 200 bps，也是STM32与WiFi模块串口通信的速度。

系统无线数据传输采用TCP/IP协议，是由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。

在实际应用中采用上述架构、流程以及模型,采集数据样本值并进行模型运算,发现用户感知指标丢包率与PRB利用率、CCE利用率以及RRC连接数呈线性关系。如PRB利用率越大,用户在这种小区内发起调用后丢包比例越大。丢包率与PRB利用率、CCE利用率以及RRC连接数之间的线形相关性如图7、图8以及图9所示。

2.2　通用嵌入式终端设计

系统设计的一种手持提醒接收设备的电气连接结构如图6所示。由于是便捷式手持设备，所以选用0.96寸的OLED显示器。其特点是单个像素独立发光，对比度较高，显示效果好。LED指示灯用于指示连接状态和按键反馈。功能性按键包括警报解除键、手动息屏键、联网键，均为独立式按键，低电平有效，与单片机的中断管脚相连。控制核心MCU以及WiFi模块同信息采集与传输端一样，仅程序不同。

  

图6　通用嵌入式终端结构

3　系统的软件设计

3.1　信息采集与传输端程序设计

信息采集板程序流程如图7所示。STM32编程在KEIL 4 MDK编程平台中完成。图7中，单片机初始化相关资源包括：I/O口配置、系统时钟配置、中断配置、定时器配置和串口2配置。根据服务器发送的心跳包来判断连接是否中断，心跳包每隔30 s发送一次。在连接中断后及复位WiFi模块之前，要先退出透传模式即单片机发送“+++”给WiFi模块。

  

图7　信息采集板程序流程

图7中，初始化单片机所使用的相关资源的关键代码如下：

RCC_Configuration();//系统相关时钟配置

NVIC_Configuration();//中断优先级配置SysTick_Config(72000);//系统滴答时钟为1 ms

KEY_Configuration();//按键初始化配置

GPIO_Configuration();//GPIO端口初始化

USART_Config(USART2);//串口2初始化

TIM3_2Config();//定时器3初始化配置

其中，RCC_Configuration()的作用是为STM32的相关资源配置时钟，若无时钟配置，上述资源将不能工作。

NVIC_Configuration()的作用是设置串口2和红外对射传感器引脚以及定时器中断的优先级，设计中串口2中断的优先级大于传感器引脚和定时器的中断优先级，从而保证通信的可靠性。

SysTick_Config(72000)的作用是配置系统滴答时钟，这里配置为72 000 000/72 000=1 000，即1/1000=1 ms，用于延时函数Delay()的延时功能。定时器3的作用是每隔30 s查询系统的联网状态。

配置WiFi模块的C语言关键代码如下：

心有静气，才能客观看待人事，沉着思考问题。反之，心有怒气，整个人就会沦为情绪的奴隶，辨不清是非真假，自然容易出乱子。

USART_OUT(USART2,"AT+RST
");

//复位无线模块

Delay(500);//延时500 ms

USART_OUT　(USART2,"AT+CWMODE=1
");//配置WiFi模块工作在STA模式

Delay(6000);

USART_OUT(USART2,&wifi[0]);//连接路由器

Delay(1000);

USART_OUT(USART2,"AT+CIPMUX=0
");

//设置为单连接模式

Delay(200);

中国交通运输通信信息集团2018年11月1日与贵阳货车帮科技有限公司签署了战略合作框架协议。据了解，交信集团隶属于交通运输部中国交通通信信息中心，通过其部署的卫星通信、北斗导航、高分遥感、高速公路光纤网、交通一卡通、国家物流公共信息平台等信息通信系统资源，拥有广泛的交通运输信息及海量的道路运输基础数据。未来，依托数据共享，双方将在物流行业数字身份认证、道路运输行业诚信体系建设、高速公路光纤网应用、高精度地图服务和交通“一卡通”推广等领域展开探索和合作，并共同推动国家物流信息平台建设，进一步加快我国物流产业信息化、智慧化进程。

USART_OUT　(USART2,"AT+CIPMODE=1
");//开启透传模式

Delay(500);

USART_OUT(USART2,"AT+CIPSTART="TCP","www.eeecontrol.com",4508
");

//连接到服务器

WiFi无须物理有线连接，在发射机和接收机之间使用射频技术便可进行无线数据传输。串口WiFi模块ESP8266是一款超低功耗的透传模块，其核心处理器ESP8266在较小尺寸封装中集成了业界领先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频支持80 MHz和160 MHz。该模块支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。它在搭载应用并作为设备中唯一的处理器时，可直接从外接闪存中启动[5]。

为统一界面形式，手机APP软件和电脑上位机软件的风格须一致。由图9和图11可知，其按钮图片及信息显示形式相同，编程思路也一致，这里主要介绍编程的关键功能性细节部分。

//开启数据发送

Delay(300);

信息采集板与3个接收终端之间的命令传送格式如图10所示，传送的数据长度是11字节，每段信息间用逗号隔开。

当层间位移角到达3%rad(38.19 mm)第二个周期正推时，仍有零星的“咔咔”响声，期间，随着梁端位移接近3%rad时，受拉端角钢被拉起，角钢柱侧钢肢与柱之间产生夹角空隙，但随着梁端位移归零后，空隙消失。当位移接近到达4%rad(50.92 mm)时，角钢受梁翼缘水平拉力导致被拉起幅度开始明显，但位移归零后，空隙仍可以消失。当位移到达4%(50.92 mm)时，上角钢加劲肋与翼缘间的焊缝发生开裂。

STM32通过AT指令控制WiFi模块，使用串口2以字符串的形式发送AT指令，其通信波特率为115 200 bps。每次发送完一条AT指令后，延时一段时间，用于等待WiFi执行相应操作。为了降低代码复杂度，这里没有解析WiFi模块的回复信息来判断指令是否正确执行。

USART_OUT(USART2,"AT+CIPSTART="TCP","www.eeecontrol.com",4508
")的作用是控制WiFi模块通过TCP协议连接云服务器，这里IP地址为www.eeecontrol.com，4508是端口号。

USART_OUT(USART2,"AT+CIPSEND
")的作用是在开启透传模式后开始发送数据。

USART_OUT(USART2,"KEY:WYR123456+123456")的作用是以账号和密码的形式登录服务器，数据发送格式是“KEY:账号+密码”。

增加SKU数量虽然会增加成本和库存管理的难度，但是为了长远的发展，每日优鲜平台可以根据区域销售量的不同，对购物人群密集的区域适当增加SKU数量，以满足大都市人群消费的多类商品挑选的需要。

本文探讨了环偶极子超材料的研究和发展现状，环偶极子独特电磁特性能与太赫兹波特性相结合，必产生一系列独特的物理现象。太赫兹频段环偶极子超材料可以缓解太赫兹波段器件缺少的现象，可实现对太赫兹波进行调控、滤波、开关和延时等操控，可用于制备传感器、调节器、切伦科夫计数器等太赫兹先进器件。

3.2　通用嵌入式终端程序设计

智能接收终端的程序流程如图8所示。初始阶段与信息采集板类似。单片机相关资源初始化包括：I/O口配置、系统时钟配置、中断配置，定时器配置、串口2配置、SPI总线配置、OLED显示屏初始化、部分指示灯以及震动马达的初始化。图8中的相关中断处理包括：通过定时器实现的自动亮屏和息屏，按键中断和串口中断。

  

图8　智能接收端程序流程

4　手机安卓软件设计

系统针对安卓手机设计了一款APP客户端，其编程平台是易安卓。采用基于阿里云主机的服务器平台，在设计中充当数据转运站[7]，将本地上传的数据实时转发给远程信息接收终端，即本文所涉及的3种接收终端。

表1 中复杂情境包括社交圈、位置、时间和情感4大类。而每一类又分成若干子类。推荐系统可以通过情境感知不同的情境层次为用户推荐不同的项目。譬如，User1 和User2 在家人，图书馆、下午和愉快情境下Id1 和Id4 偏好一致，User1 和User2 在朋友，购物商场、上午和悲伤情境下Id1 和Id4 对项目评分相同，因此，可认为在相同情境下User1 和User2 具有较高相似性。故可以根据User1 在其他情境下对项目的评分为User2 在相同情境下进行推荐，比如，在家人、工作区、下午和愉快情境下可为User2 推荐Id3。

数据的传输与接收是通过TCP客户端控件实现的，该控件是本软件的核心组件，设计中，APP界面有两个窗口，分别是主窗口和窗口1，界面的具体外观如图9所示。

由图9可看出，手机工作在流量联网状态下，而非无线局域网内。因此，在任何有手机信号且联网状态下，均可收到异地信息采集板传送的消息。

图9左为主窗口，通过IP地址和端口号连接服务器后，按规定的账号和密码（账户和密码需注册）登录服务器，即可实时接收云服务器的信息，主窗口中间显示的是实时数据收发状态。图9右为病房实时信息解析窗口，当收到警报信息时，手机会产生震动同时播放音乐，用户可通过按钮解除警报。为方便用户查看历史信息，界面中设有历史信息查看按钮。

  

图9　手机APP客户端界面

该软件使用TCP/IP协议，与云服务器实现连接的易语言代码为：客户1.连接服务器（读入文本文件（取存储卡路径()&"/"&"IP地址"&".txt","GBK"），到整数（读入文本文件（取存储卡路径()&"/"&"端口号"&".txt","GBK"））,60000）。易语言编程简单、高效，调用相应的功能性函数可以快速地开发出各种应用软件。由上述代码可见，为便于用户使用，将用户输入的IP地址和端口号自动保存在存储卡中，打开软件时即可从存储卡中自动读取相应信息，便于用户日常使用。

USART_OUT(USART2,"KEY:WYR123456+123456");//登录服务器

  

图10　命令传送格式

当手机接收信息时，首先判断信息长度是否为11，再将信息进行文本分割解析，其易语言代码为：分割的文本=分割文本（收到的数据，"，"）。分割的文本（0）为房间号、文本（1）为床位号、文本（2）为警报状态、文本（3）为连接状态，文本分割后再根据数据进行警报和显示。图10示例中，301为房号，001为床位号，1代表警报，0代表已连接。

5　上位机监控平台软件设计

采用LabVIEW[8]设计一个信息接收客户端界面，电脑接收客户端界面如图11，LabVIEW编程界面分为前面板和程序面板，在前面板中放置各种控件，后面板对相应控件进行编程。

USART_OUT(USART2,"AT+CIPSEND
");

LabVIEW中的TCP协议控件的图形化编程如图12所示，其功能是连接到用户输入的IP地址和端口号所指定的TCP服务器。

  

图11　LabVIEW上位机界面

图12中，5 000代表TCP客户端连接服务器的超时时间，默认单位是ms。若服务器连接超过5s尚未成功，则界面会弹出连接超时的提示，原因可能是网络故障或服务器故障。1 000代表发送超时1 s，服务器连接成功后会自动发送账号和密码信息登录服务器。“命令发送区”是用户输入账号和密码的编辑框。

  

图12　TCP协议控件程序

实时数据接收区字符串处理程序见图13。从图11的前面板界面可看出，实时信息显示区每条信息包括日期、时间、接收（或者发送）、字段，后面是实际从服务器接收的信息。编程思路是将这几条字段用字符串连接功能控件连接后一起输出。病房状态显示区也采用相同的方法处理。

  

图13　实时数据接收区字符串程序

6　系统实物测试与验证

系统的样机测试组成包括：信息采集与传输板、手机接收端、通用嵌入式接收端、PC上位机接收端、通用路由器、红外对射传感器。

系统的3种接收终端的实测情况如表2所示。测试时，这3种终端处于不同的网络环境下，其中，智能终端通过无线路由器接入互联网，手机正常工作在窝峰数据流量状态下，电脑通过宽带接入互联网。由表2知，系统的可靠性较高，测试过程中无漏报错报。

 

表2　功能测试表

  

测试终端　测试房间号　测试床位号　结果通用嵌入式终端301　001　正常302　002　正常303　003　正常手机客户端301　004　正常302　001　正常303　003　正常电脑客户端304　001　正常302　004　正常301　003　正常

7　结　论

本文应用主流的ARM芯片STM32作为系统的控制单元，采用性价比较高的串口WiFi模块ESP8266和云服务器实现远程通信的功能。系统设置了3种信息接收终端，以便于各种类型用户的使用。该系统是近年来发展迅速的物联网技术的典型应用，经过小规模的修改可应用于多种远程监控的领域。另外，系统加入GSM/GPRS模块，只要在有手机基站信号的地方就能进行数据实时采集与传输，可避免由于路由器故障或其他原因导致的断网事故的发生，提高了系统使用的稳定性。

参考文献：

一只苍蝇落在手掌上，自由爬行。手掌突然翻转，苍蝇凌空而起。手掌在空中一个厉劈，苍蝇像中弹的飞机，一头栽下来，直挺挺地掼在地上。

[1]李洪博，汤云鹤，王旭康.基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统的设计[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2017，37（4）：230-233+238.

[2]Yu Tsangchu，Lin Chungchih，Chen Chunchang，et al.Wireless sensor networks for indoor air quality monitoring[J].Medical Engineering&Physics，2013，35（2）：231-235.

[3]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]勾慧兰，刘光超.基于STM32的最小系统及串口通信的实现[J].工业控制计算机，2012，25（9）：26-28.

[5]范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（9）：52-56.

[6]朱浩翔，郭为民，杨宁.基于ESP8266的充电桩数据采集器设计[J].微型机与应用，2017，36（9）：92-94+99.

[7]Li C，Hu X，Zhang L.The IoT-based heart disease monitoring system for pervasive healthcare service[J].Procedia Computer Science，2017，112：2328-2334.

[8]张金.LabVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2015.