首页 > 论文范文 > 医药卫生论文 > 公共卫生论文 > 环境医学论文 > 可穿戴设备医用防护服微环境监测系统的研究

可穿戴设备医用防护服微环境监测系统的研究

2024-03-21 69 上传者：管理员

摘要：随着全球气温不断升高，生态环境不断变化，重大传染病疫情时有发生。个体防护装备是医护人员避免生物污染危害的直接防护屏障，但长期穿戴专业的医用防护服装备会导致体表温度升高、大量出汗、虚脱等状况。为此，基于一次性医用防护服设计一种监测系统，以实时监测一次性防护服内的温湿度、二氧化碳含量及穿着人员的心率和血氧饱和度等数据。针对穿戴者长时间在污染区域作业，与外界通信受限的问题，搭建物联网云平台并采用无线传输技术实现作业人员与后方控制人员的信息交互，提高了一次性防护服的安全性和控制能力。针对微环境的温湿度、二氧化碳浓度及人体的心率和血氧饱和度等设定不同的阈值，随着工作的进行，通过微环境参数的改变来触发报警系统。所设计的监测系统满足设备向小型化发展的要求，方便医护人员穿戴，且获取监测数据后能及时通过物联网上传。

关键词：
ESP32
传感器
医用防护服
可穿戴设备
微环境监测
智能终端
物联网云平台
加入收藏

病原微生物长期与人类共存，是人类健康的大敌。由于人口过度增长、生态环境破坏等原因，国际上暴发了SARS、MERS、COVID‐19等突发传染性疾病，对国家安全、人类健康造成了重大威胁[1]。为尽可能地降低感染风险，医护人员在接触传染病病人时需要穿戴一次性防护用品，用来阻隔患者的血液、体液、分泌物的微颗粒[2]。由于防护装备不透气导致的体表温度升高、大量出汗等状况，部分医护人员可能会产生皮疹、毛囊炎等疾病[3]，极大地降低了医护人员的工作效率[4,5]。而实时监测一次性防护服内的微环境数据，可以及时提醒穿着人员和后台控制人员做好休息和通风换气的准备。

目前国内外一次性防护服偏向于电动送风，缺乏防护服内微环境的实时监测，医护人员紧张繁重的作业强度往往使穿戴者无暇顾及防护服的工作状态，这就需要后方指挥与保障人员实时了解防护服的运行状态，在异常时及时提醒医护人员采取必要措施。目前现场作业时，各套防护服的参数为本机监测，容易形成信息孤岛，后端远程感知更是处于空白状态。

21世纪以来物联网技术快速发展，在社会生活中起着越来越重要的作用，得到了各行各业的关注和重视[6]，物联网作为互联网和通信网的延伸部分[7]，为推进个体防护装备的智能化提供了可能。本文基于一次性防护服设计的微环境监测系统集成了Max30102血氧监测传感器、DHT11温湿度传感器、SGP30二氧化碳传感器，均采用参数控制和双向通信器件，通过ESP32单片机的控制实时对防护服内部的数据进行采集，并通过无线网把数据发送到物联网平台，即可实现前端感知、后端可视的目的，增强了前后端信息的交互能力。

1、系统硬件设计

本文系统由实时监测、数据上传、终端显示和报警等四大功能模块组成，四大功能模块的硬件设计是通过ESP32主控板和各类传感器开发来实现的。系统包括温湿度传感器、血氧饱和度传感器、二氧化碳传感器、OLED显示器、语音报警传感器。该系统的远程通信是通过WiFi的形式实现的，传感器感知一次性防护服微环境内的参数，并通过WiFi将实时监测的信息发送到物联网云平台，实现远程控制。系统总体框架如图1所示。

图1系统总体框架

1.1 ESP32单片机

系统选择ESP32作为主控芯片，该芯片性能稳定，具有良好的射频性能、超低的功耗和价格[8]；同时还有I2C、SPI、UART等常用外设接口，操作简便、易于上手，适用于各类智能控制。ESP32单片机具有32位双核处理器，内置蓝牙和WiFi功能，不用再外接无线通信传感器，可以减少开发成本，加快开发速度。其中WiFi的速度高达150 Mb/s，工作频率为2.5 GHz。该芯片既可以基于内嵌的XtensaR32‐bitMCU作为独立的片上系统使用，也可以作为其他MCU主控方案的从设备[9]，支持多种串行通信。凭借其稳定的性能和内置的自校准电路，ESP32消除了外部电路的弊端，并提供动态电压调节，能很好地适应不断变化的外部条件[10]。

1.2 WiFi配网

要想实现远程控制医用防护服微环境监测系统的正常运行，就需要对整个工作系统网络进行连接。配网是连接网络中非常重要的一环，监测系统在上电后需要连接WiFi，此时程序会自动切换到配网模式，可以根据手机的提示输入热点密码和连接网络。设备配网需要将ESP32设置为AP热点模式并且打开手机热点，然后用手机连接名为NodeMCU‐ESP32的WiFi信号，会自动跳到配网页面，根据自己手机热点的名称和密码，输入到对应的配网页面WiFi SSID和WiFi PASS处，输入完热点的账号和密码后，就会跳转到如图2a）所示的页面，配网成功之后会跳转到如图2b）所示的页面。

图2 WiFi配网页面

1.3传感器模块

本文监测系统选用DHT11温湿度传感器来对防护服微环境中的温度和湿度进行测量。DHT11传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，该产品具有响应速度快、数据准确、抗干扰能力强、性价比高等优点[11]，并且能够满足系统的需要。此外，DHT11采用单线串行接口，通信便捷[12]。

SGP30气体传感器采用微机电系统（MEMS）技术，利用薄膜制作工艺和深反应离子蚀刻技术，极大地缩小了传感器的体积。通过增加传感元件和加热元件间的热隔离，使得传感器精度得到了明显的提高[13]。

MAX30102是一种集成有脉搏血氧检测仪和心率监察仪等生物感应器的模块，整合了多种LED、光学电子学探测器、光学元件，包括具有环境光抑制功能的低噪音电子电路等[14]。

1.4实时监测流程图

一次性防护服微环境监测系统的实时监测流程如图3所示。当通电后ESP32会进行系统的初始化，然后配网，之后ESP32会给各个传感器发送指令，各个传感器会进入工作状态，对微环境里的温湿度、人体的血氧饱和度和心率进行实时监测，监测的每一个数据都会在计算机端网页和手机网页进行实时显示，且监测的每一个数据会与设定好的报警阈值进行比较。如果实时监测到的数据小于设定阈值，监测系统会进行实时的数据采集；如果实时监测的数据大于设定的阈值，ESP32会给语音模块JQ8900‐16P发送指令，报警器就会发出语音报警，提示穿着人员注意休息和通风换气，后台控制人员也会在网页上看到相应的提示，以进行医护人员的轮流调整。

图3实时监测系统流程

2、物联网产品的开发

2.1创建新产品

本文系统利用阿里云物联网平台实现数据展示、监控以及报警功能。首先要创建产品，产品名为一次性防护服微环境监测系统，设备名为xinlv，产品和设备创建完成后可以获得设备的三元组，如图4所示，三元组作为设备的位移编号与下位机ESP32一一对应。

图4阿里云平台设备三元组

通常三元组用于ESP32单片机和阿里云物联网平台的连接，通过修改代码中的三元组能够连接不同的设备。

代码编写设置如下：

通过对PRUDUCT＿KEY、DEVICE＿NAME、DEVICE＿SECRET进行单独定义，在将代码移植到别的设备时，只需要更改三元组就能让代码正常运行，提高了代码的可移植性。

2.2添加产品功能

当设备创建成功后，在产品中查看一次性防护服微环境监测系统，进入功能定义，添加自定义功能。以血氧饱和度为例，设置功能名称为血氧，标识符为Enoximetry，数据类型为int32，取值范围为0～100，步长为1，单位为%，读写类型为只读，设置完成后，点击发布上线。当有单片机连接到阿里云平台时，设备xinlv将变为在线状态，当有数据发送到阿里云平台时，点击查看，查看物理模型数据可以得到实时数据，如图5所示。

2.3浏览器页面设计

通过阿里云物联网平台进行数据监控过程繁琐复杂，而且在后台进行数据监控时用户权限过高，不利于用户管理，所以本文利用物联网云平台的IoT Studio，进行了Web可视化和移动端可视化的开发，方便穿着人员和后台监控人员对数据进行监测，图6所示为Web端页面设计图。

图5云平台数据实时显示

随着时代的发展，数据可视化在数据展示中的重要性逐渐凸显，相比于书面信息，人脑对视觉信息的识别相对容易。使用图表汇总复杂的数据，更能直接地展示所要表达的信息[15]，而数据曲线作为数据可视化的基础方式之一，通过直观的数据展示可以看清楚数据的变化情况以及变化趋势，其能够将数据的各个属性值以多维数据的形式展示出来，从而便于对数据进行更深入的观察和分析。

本文系统采用数据曲线对血氧饱和度、心率、温度、湿度、二氧化碳数据进行同步展示。以血氧饱和度为例，首先在物联网Web可视化开发页面寻找实时曲线组件，然后设置数据源配置，数据源选择设备，模式为多设备单属性，产品名为一次性防护服微环境检测系统，设备选择指定设备中的xinlv，属性为血氧饱和度。

图6 Web端页面设计图

数据源配置完毕后，可以调整合适的曲线颜色，设置曲线图名称。同理可以设置心率、温湿度、二氧化碳浓度曲线，采集1 h的数据后，监控数据页面如图7所示。

3、物联网实验平台的验证

3.1实验环境搭建

为测试本文系统的实时监测能力以及物联网云平台的搭建是否真实有效，进行穿戴和数据后端显示的实验。通过把语音报警器、二氧化碳传感器、温湿度传感器语音芯片、ESP32开发板等集成到一块PCB板上，实现了设备的小型化。

血氧传感器会通过引线连接到穿戴者的手腕处，PCB板上面留有电源接口，通过充电宝等供电方式可以给整个监测系统进行独立供电，当穿戴者把硬件集成PCB固定到胸前以后，打开电源开关，整个开发板集成系统就会得到供电，同时打开手机热点，配网成功后，数据就会实时地上传到物联网云平台。监测系统硬件图如图8所示。

3.2测试设备

将一次性防护服微环境检测系统佩戴带在胸前，充电宝作为集成开发的电源持续供电，把开发板固定完毕后，就可以完整穿戴好防护服进入作业区域进行工作。图9a）中把监测设备固定于穿戴者的胸部，因为随着微环境温度、湿度的增高，人体胸部的温度较高；图9b）中穿戴者已完整穿戴好防护设备。

图7监测数据的实时显示

图8监测系统硬件图

穿戴者打开自己的手机热点就可以让开发板连接到自己的手机，即可实现数据采集、上传与下发的功能。通过手机打开各个监测数据的报警开关并设定好相应的阈值，如果一次性防护服微环境超过所设定的阈值，就会发出相应的报警声音。

监测页面如图10所示，后台控制人员可以通过图10a)Web页面进行监测，穿戴者可以通过移动端页面图10b）进行监测。

从图10中可以看到，实时监测页面丰富地展示了当前环境的温湿度、防护服内部的温湿度、二氧化碳含量、穿戴者的心率和血氧饱和度，后台控制人员可以随时清楚地看到防护服微环境的监测数据，及时了解穿戴者的工作状态。

图9穿戴者工作图

图1 0实时终端监测页面

4、结论

随着科技飞速发展，加之信息技术与网络通信技术的进步，将互联网技术与一次性防护服设计相结合能够为医护人员提供便利的工作条件。本文基于传染病疫情工作者所处的高危高感染环境，利用嵌入式技术、物联网通信技术、传感器监测技术，设计一种以ESP32为控制核心的监测系统，以实时监测防护服内的情况，从而减少人力物力的投入，在医护人员自身安全得以保障的前提下，提高工作的效率，减少病毒对于医护人员的危害。利用阿里云物联网平台设计了一次性防护服微环境的数据实时展示界面，穿戴者可以通过手机网页查看自己所处的微环境当中各种数据的状况，及时做出相应的工作判断；对于后台控制者来说，可以通过Web页面实时监测所处工作环境医护人员的工作状态，及时通过数据提醒工作人员注意休息和做出人员的轮换。利用数据监控实现了远程的数据超限设置，超过相应的设定阈值会发出相应的语音和页面显示的报警。

参考文献:

[1]郑涛,黄培堂,沈倍奋.当前国际生物安全形势与展望[J].军事医学,2012,36(10):721-724.

[3]杨志波,杨素清,唐雪勇,等.穿戴医用防护装备所致皮肤问题及疾病的中医药外治专家建议[J].中国中西医结合皮肤性病学杂志,2020,19(1):1-4.

[5]韩玲,马英博,胡梦缘,等.改善医用一次性防护服热湿舒适性的研究进展[J].棉纺织技术,2020,48(4):75-78.

[7]杜经纬,李海涛,梁涛.国内外物联网研究现状及展望[J].世界科技研究与发展,2013,35(3):408-416.

[8]王世豪,颜锦奎.基于低功耗蓝牙的无线信号源设计[J].工业控制计算机,2021,34(8):53-54.

[9]李嘉明,冯建,廖明华,等.基于ESP32的电子秤系统设计[J].电脑知识与技术,2021,17(12):216-219.

[10]潘高阳,张帅,王京,等.个体生理信息采集及评估系统设计[J].国防制造技术,2021(1):16-22.

[11]冯娜娜,冯娟娟,杨延宁,等.基于ESP8266的可视化温湿度实时监测器的设计[J].延安大学学报(自然科学版),2020,39(4):54-57.

[12]徐鑫秀,赵士原.基于DHT11传感器的机房温湿度控制系统设计[J].现代信息科技,2020,4(14):57-59.

[13]刘忠禺.基于Raspberry Pi控制的智能温室监控系统[D].沈阳:沈阳农业大学,2022.

[14]刘国强.基于物联网模块的家庭医生健康管理平台的设计与实现[D].南京:南京邮电大学,2020.