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传感传感器在满足人类了解周边环境的好奇心方面发挥着重要作用。迄今，温度是我们用传感器测量得最多的一个参数。最初的测量是通过触摸进行的，随后开始使用外部金属。最初的测量结果只是对温度的比较，并没有什么具体的数值。传感器自此经历了长期的发展，我们现在拥有极为精确的设备。
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随着技术的发展，用于测量压力、湿度、接近、动作及其他参数的各种传感器应运而生。不过，要想形成完整的应用，仅使用独立的传感器还远远不够。传感器必须与微控制器连接起来才能构成完整的系统。传感器与微控制器的连接已经使各种应用革命性的变化，而且这一趋势还将一直继续下去。医疗、工业和汽车等众多领域都将受益于传感器技术的最新创新。
以前，传感技术都通过硬件电路来实施，这种实现方式在传感器部署方面很不方便。为了简化部署，下一代传感器则通过无线技术传输记录的数据。可连接传感器且支持无线功能的微控制器使得持续监控接收到的数据成为一种可能。 本文将探讨医疗应用中所涉及到的传感器连接技术，并以病床监护为例加以说明。住院期间，我们都希望能更舒适一些，而医院的病床／床垫通过传感器和微控制器所带来的技术改进是可以变得更加舒适的。让病人更舒适其实对病人、医生和医护人员来说都是有利的。 目前的系统采用的传感器需要连接至病床旁边的 PC。传感器探测病人的情况，微控制器收集并传输传感器数据。医生和护士需要经常查床以了解病人的情况。而如果使用我们提议的新系统，数据就能以无线方式发送到护士站，确保病人病情得到连续监控。这种方法还能减少本已非常混乱的病房中的连线数量。该系统还可用于医院之外的其他地方，比如有特殊需求的家庭病人监护等。 本文仅讨论温度、湿度、压力和电容式传感器。其他可以连接于微控制器的传感器也能以类似的方法加以应用。上述传感器可以监控病人的状况，并可根据设定的阈值，记录下有用的数据，并／或通过无线网络提醒医生或护士采取行动。这不仅有助于加强病人监护，而且记录的数据还有助于针对某些医疗问题开展案例研究。 |
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无线技术
本文介绍的应用概念验证是在室温条件下采用塞普锐思公司提供的带有 CyFi 低功耗射频功能的 PSoC FirstTouch 入门套件进行的。市场上现有的几款微控制器都支持所需的无线功能，这些微控制器搭配传感器后即可实施医院病床的无线监护功能。在此，我们采用的是基于直接序列扩频技术的低功耗 2.4 GHz 射频系统。 在传输侧，传感器与微控制器连接，进而通过第二个微控制器连接到无线子系统，数据经第二个微控制器处理后用无线发射器向外发送。在接收站，与电脑连接的无线接收器 (PC Dongle) 负责收集数据并通过图形用户界面 (GUI) 在监测站点显示数据。本应用的方框图如图 1 所示。 将传感器和无线子系统作为独立的板来设计有助于测试无线网络上不同的传感器接口。而在最终系统中，这两款子系统可能被整合为一个单元。每个发射器都有自己的 ID，不同的发射器可绑定于一部接收器。这样，即可通过同一终端同时监护多个病人。无线系统的连接距离在没有阻隔物的情况下长达 400 米，在普通医院环境中可达 200 米。因此医院整层楼中的病人情况都可得到监控，并将监控数据发送到负责该层护士站。由于接收器绑定的是特定的接收器，因此每位病人的信息都是独立的。 传感器接口 传感器和微控制器的连接技术早已存在，且有多篇文章都介绍过该类接口方法。下面介绍的为传感器添加无线技术的方法可帮助系统日趋先进。 (i) 温度传感器 很久以前，医疗领域就已开始使用温度传感器测量病人体温、监测病人病情。但如果在病床／床垫中使用温度传感器测量病人的绝对体温，结果可能不够准确，因为传感器没有直接与病人接触。不过，这种系统却可以持续监控病人的体温变化。我们可用一组热电偶来测量身体各重要部位的温度。使用热电偶时，只需让每个热电偶的接头接近病床表面，而接口电路则可隐藏在病床的床垫内部。 (ii) 湿度传感器 湿度传感器可集成在病床的床垫中，检查病人出汗或大小便失禁等情况。尽管排汗量过大本身不是疾病，但可能是反映某种病变的征兆。测量病人的排汗变化情况有助于记录下病人身体状况的一些信息，以便在需要时告诉医护人员过来照看病人。就像温度传感器一样，可根据病人和看护人员的需要而结合使用多个湿度传感器。 (iii) 电容传感和接近传感 电容传感器可用来探测病人在病床上的情况。如果病人无意识地移动，检测到的电容会随病人的位置变化而波动。如果病人一直不停地运动或者病人在非自愿的情况下离开了病床，系统就会提醒医护人员加以注意。 接近传感器采用的技术与电容传感器的相同，该类传感器可安放在病床或床垫中的特定位置，比如靠近床头的位置。这样，病人只需把手靠近传感器，就能使之激活，以满足其特殊需求。这避免了病人需要按压按钮才能得到帮助的情况，而这对身体羸弱的病人尤其有利。 (iv) 压力传感器 压力传感器对运动不便的病人非常有用。这种传感器可探测并阻止病人身体上任何未得到缓解的压力，比如可以监控会导致病人出现溃疡的压力情况。参考文献 [2] 中介绍了专为体位自动化而开发的病床。在此基础上添加无线传输功能将进一步改善病人的舒适度并提高相关技术应用的复杂度。 |
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护士站的图形用户界面 (GUI)
一旦发射器绑定于接收站后，接收站的应用即可收集发送过来的数据，该接收站通过 GUI 监测每个传感器提供的数据。基于 GUI 的监测工具可以直接显示数据，也可设计用于提供丰富的显示选项和特性。GUI 还能存储设置信息，非常有用的一个功能就是针对不同病情的病人采用相应的参数。设置信息可存储下来，并在连接到特定发射器（病人）时自动加载。 图 2 显示的是连接不同传感器后所得到的示图，也是病人监护系统 GUI 的一个实例。通过集中控制，医护人员也能设置报警信息，在数值超出相应限制的情况下发出警报。在试验设置中，温度上限设为 26，下限设为 14。湿度上限设为 60。警报窗口还会显示超出的是上限 (H) 还是下限 (L)。类似的限制还可应用于压力、电容或其他任何连接到系统上的传感器。医护人员可监控有关图示，在不同病人图示之间切换，并根据提示信息为病人提供相关服务。 安全性 考虑到医院环境的需求，安全性是一个主要的考虑事项。如果系统采用物理连线连接的话，我们除了必须手动安装这些线缆，而且还可能因为短路而导致病人遭到电击。但电池供电的无线传感器系统却可以避免上述安全问题。无线系统可根据要求在全功率、低功率模式下运行或关闭，以延长电池的工作时间。病床／床垫系统应留有检修口以便根据需要更换电池。 过去人们一直担心医院使用无线技术会出现电磁干扰 (EMI) 问题。经过认真细致的研究 [4]、[5]，我们发现，如果严格遵守医疗设备之间推荐的间隔距离，无线技术也适用于医院，甚至可以应用在特护病房和手术室中。如果病人安装了心脏起搏器或者其他支持生命的医疗设备，需更加注意保持不同设备之间的距离。 尽管传感器的应用已经有相当长的历史，但其应用范围却一直受连接线缆的限制。本文提出的医院病床无线传感器监护系统不仅可提高病人的舒适度，而且由于可以不同程度地持续监测病人，从而也简化了医护人员的工作负担。这种看护的效果相对于需要手动检查的有线连接系统而言是非常出色的。医护人员不用打扰病人就能实现检测目的，而且能通过直观易用的界面全面了解传感器的日志记录情况。此外，由于无线监护非常便捷，因此也适用于除医院之外的其他场所，如家庭看护和救护车等。 |
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