基于嵌入式物联网技术的智慧病房方案设计_基于单片机的智能病房管理系统

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前言

随着社会经济的发展和城市化的加速发展，物联网技术已经逐步进入各个领域，在许多方面都有着重要的作用。而近些年来，物联网技术也逐渐的进入了医疗领域。其中智慧病房作为智慧医疗的细分领域，以辅助医疗供给为目标，通过打造院内物联网，让患者与医护人员的互动，通过物联医疗设备紧密联系。这同时也是医院信息化程度提升的一个标志。通过病房的实体设施在线化与医疗信息系统数字化联动，医护人员不用守在病患身边，也能提供实时服务。为医护人员减负，利用物联网提升医疗服务质量，改善医患关系。
因此，设计基于嵌入式物联网技术的智慧病房，能很好的为医生和患者提供帮助。

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一、系统设计要求

设计一个基于物联网技术的智慧病房管理系统。假设医院住院部的一层病房（走廊两边病房平行分布），病房数量最多60间，每间病房3个床位，编号从1～180号。每间病房可采用的设备如下：STM32F103开发板1块，房间温湿度采集模块1套（I2C接口，AHT20模块），房间自动灯光开关控制器（以PWM方式控制，每天早上7点渐亮，晚上22点渐灭），病人脉搏&血氧检测仪3套（UART接口输出脉搏+血氧的数字值），床头紧急呼叫按键开关3个（按下呼叫）。

每间病房的STM32F103开发板通过UART转485接口，以mobus组网方式（mobus协议不熟悉的话，可以直接视之为一个自定义数据包格式的串口通信）连接到护士监控室的PC电脑上（上位机）。PC电脑上可接收每间病房的温湿度数据（周期为5分钟）、床头紧急呼叫信号、病人脉搏血氧数据（正常状态下30分钟一次采集；当脉搏超过120或血氧值低于90时切换到危重状态下，实时采集），显示在屏幕上并且保存到MySQL数据库里。

二、系统硬件设计

智慧病房的设计的硬件主要由以下五部分构成，即单片机控制模块、AHT20模块、心率脉搏采集模块、通信模块和上位机。单片机控制模块负责对整体数据进行处理，并且根据指令对系统消息进行处理；AHT20模块负责接收收集温湿度信息；MOBUS通信模块负责将信息发给PC机；MAX30102模块负责采集病人的信息。
系统框图

单片机控制电路

系统单片机采用了STM32F103。 STM32F103具有功耗低，性能高的优点。STM32F1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Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能。存储器有从16K到512K字节的闪存程序存储器。而且内部有着睡眠、停机和待机模式。满足了防丟失器对读写速度和功耗的要求。

AHT20模块

AHT20是国内奥松生成的I2C接口的MEMS温湿度传感器，ADC位数为20Bit，具有体积小、精度高、成本低等优点。AHT20 配有一个全新设计的 ASIC专用芯片、一个经过改进的MEMS半导体电容式湿度传感元件和一个标准的片上温度传感元件，其性能已经大大提升甚至超出了前一代传感器的可靠性水平，新一代温湿度传感器，经过改进使其在恶劣环境下的性能更稳定。

AHT20原理图

心率脉搏采集模块

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块（芯片）。它集成了一个660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。可通过软件关断模块，待机电流为零，实现电源始终维持供电状态,可运用于低功耗产品中。

MAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，标准的I2C兼容的通信接口。市面很多都将MAX30102芯片集成在一个PCB模块上，内部增加一个1.8V和3.3V LDO稳压电路，可对模块单独供5.0V电源，方便开发者进行开发。

引脚图

芯片内部有3.3V-5.0V的LED电源和1.8V的逻辑电源，所以模块带有两路稳压电路，将5V电源分别转化为3.3V和1.8V；由于LED驱动电源的供电范围为3.3V-5.0V，3.3V稳压电路可省去。
由于MAX30102的逻辑电路的IIC通信电平为1.8V，这与我们常用的51单片机和STM32单片机的引脚电平不匹配。
这里有个解决方法，因为MAX30102的SDA、SCL、INT引脚为开漏，可以将模块上的R1、R2、R3电阻去掉，对于51单片机来说，在SDA、SCL、INT引脚上分别加一个4.7-10k电阻上拉至5V；对于STM32单片机，只需要将相应的控制引脚配置为上拉模式即可。

模块只需要接上5V电源，SDA、SCL、INT引脚与单片机连接即可；IRD、RD一般不接，以STM32单片机接线为例（单片机采用模拟IIC的控制方式）

MOBUS通信模块

max485是美信(maxim)推出的一款常用rs485转换器。其中5脚和8脚是引脚，6脚和7脚就是485通信中的a和b两个引脚，而1脚和4脚分别接到我们单片机的rxd和txd引脚上，直接使用单片机uart进行数据接收和发送。而2脚和3脚就是方向引脚了，其中2脚是低电平使能接收器，3脚是高电平使能输出驱动器。我们把这两个引脚连到一起，平时不发送数据的时候，保持这两个引脚是低电平，让max485处于接收状态，当需要发送数据的时候，把这个引脚拉高，发送数据，发送完毕后再拉低这个引脚就可以了。为了提高rs485的抗干扰性能，需要在靠近max485的a和b引脚之间并接一个电阻，这个电阻阻值从100欧到1k都可以。

三、系统功能分析与STM32F103基本配置

根据分析我们需要使用如下几种功能：

1.使用 I2C 读取 AHT20 模块

2.TIM 定时器与 PWM 呼吸灯

3.按键信息接收与消抖

4.UART 转 485 接口与 modbus 通信

5.MAX30102 模块心率与血氧测量

基本配置如下

RCC 配置

SYS 配置

USART1 与 DMA 配置

I2C 配置

TIM3 配置

DMA 配置

TIM2 与 PWM 配置

NVIC 配置

GPIO 配置

时钟配置

引脚配置

RTOS 配置
这里选择引入 RT-Thread 轻量便捷 ：

外部按钮配置

四 主要代码设计

温湿度获取代码设计

首先我们需要引入温湿度驱动头文件：

#include "AHT20.h"
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然后我们需要在进程中对温湿度传感器进行初始化，这里在初始化之后，不能立即获取温湿度，需要等待 2 秒或以上，确保数据正确性：

MX_GPIO_Init();
MX_I2C1_Init();
MX_USART1_UART_Init();
uint32_t CT_data[2]={
   0,0};	// 用于获取温湿度数据
volatile int  c1,t1;
rt_thread_delay(50);
AHT20_Init();
rt_thread_delay(2500);
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然后我们需要获取经过 CRC 验证的温湿度数据，这里直接调用驱动函数即可：

while(1)
	{
   
		AHT20_Read_CTdata_crc(CT_data);       //经过CRC校验，读取AHT20的温度和湿度数据    推荐每隔大于1S读一次
		c1 = CT_data[0]*1000/1024/1024;  //计算得到湿度值c1(放大了10倍)
		t1 = CT_data[1]*2000/1024/1024-500;//计算得到温度值t1(放大了10倍)
		printf("正在检测");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".");
		rt_thread_delay(100);
		printf(".")
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