前言

醫院病人體溫等參數的遠程自動檢測系統是醫院數字化建設中的一個重要項目。該設計主要是針對醫院病人體溫進行遠程自動檢測，采用分布式多點溫度采集技術，并通過以太網通信技術傳輸到醫院監控中心，值班醫生和護士通過監控中心可以實時了解病人的體溫變化，監控中心可以對病人的體溫異常進行報警和相應的記錄，并且與病人數據庫同步，方便醫生對病人病情的分析。

1 系統總體設計方案

圖1 整體設計框圖

該系統總體設計框圖如圖1所示。整個系統采用三級結構，即醫院監控中心、病房主機和溫度傳感器。其中病房主機采用單片機AT89C52為主控單元，主要實現網絡通信、溫度采集和顯示。網絡通信是通過以太網轉串口模塊ZNE-100T實現的，每臺ZNE-100T都可以設定IP地址和服務器IP地址，便于構成分布式測溫網絡。測溫元件采用美國DALLAS半導體公司生產的數字溫度傳感器DS18B20，每個DS18B20都有惟一的ID號，體積小，可以封裝成普通溫度計大小，其拉線最長距離可達80 m，便于分布式安放在病人身上。溫度數據可以在病房主機的液晶上滾動顯示。醫院監控中心和各病房主機之間的網絡通信，采用C-S架構，病房主機每分鐘向醫院監控中心發送各路溫度數據。醫院監控中心接收來自各病房主機的數據，可以以曲線或者數字的方式實時顯示各病人溫度變化情況，并進行異常處理和相應信息記錄，并且與病人數據庫同步，及時提醒值班醫生和護士關注病人情況。

2 硬件設計

2.1 單片機主控單元設計

單片機AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8KB的FLASH和256B的RAM，片內置通用8位中央處理器，具備32個雙向I/O口。其中單片機的P0口用于現場顯示電路，采用點陣液晶顯示模塊LM6038D，可以滾動顯示各個病人的體溫;P1口用于接單總線數字溫度傳感器DS18B20;P2口用于現場控制電路，包括按鍵、指示燈等;P3口的P3.0(RXD)和P3.1(TXD)用于和ZNE-100T的串口通信。系統采用5V供電。

2.2 單總線溫度采集電路設計

DS18B20的測量范圍為-55～+125℃;在-10～+85℃時，它的精度為±0.625℃，通過特殊處理，可以達到0.1℃。

圖2 DS18B20的電路連接方式

單總線數字溫度傳感器DS18B20的電路連接方式主要有兩種，如圖2所示。該設計采用外接電源方式，如圖2(b)所示。理論上單片機的每個端口可以接無數個DS18B20，但是單片機端口負載能力有限，P1口的每個端口(P1.0至P1.7)只能推動8個DS18B20。該設計中只用P1.0端口接了8只DS18B20。

2.3 以太網通信電路設計

ZNE-100T是采用RS 232接口(DB9接頭)與單片機通信的，而單片機只能用TTL電平，因此，必須設計一個RS232轉換電路與之通信。RS232轉換芯片選用Maxim公司的MAX232E。其轉換電路如圖3所示。

圖3 RS232與TTL電平轉換電路

2.4 液晶顯示電路設計

液晶顯示模塊采用拓譜微公司生產的LM6038D點陣液晶模塊，該模塊有128(列)×64(行)個像素點，另外每列多設計了4個像素點，實際上是132×64個像素點，分成9頁。該設計充分利用了多出的4個像素點，做成了一個滾動條，通過按鍵可以操作滾動條，以便用戶翻頁查看顯示的內容。

2.5 控制電路設計

該設計設計了兩個按鍵，分別接在單片機的P2.0和P2.1引腳上，分別用于控制液晶顯示屏滾動條的上下拉。還設計了兩個指示燈，分別接在單片機的P2.2和P2.3引腳上，分別用于指示發送數據指示(紅色發光二極管)和連網成功指示(綠色發光二極管)。

2.6 看門狗電路設計

為防止系統死循環，提高系統的可靠性，采用了MAX813L看門狗電路。其最大超時為1.6s，高電平復位，即RESET腳保持狀態1.6s后就發一復位信號。因此，程序中必須每1.6s內改變RESET狀態1次。

3 單片機程序設計

該系統單片機程序采用C語言編寫。程序首先對硬件進行初始化，包括對單片機AT89C52寄存器的初始化、DS18B20內部RAM的初始化、液晶顯示模塊LM6038D的初始化以及對以太網通信模塊ZNE-100T的初始化。程序通過分時法輪流采集8只DS18B20的溫度讀數，并實時在液晶上顯示，用戶通過操作按鍵可以翻頁查看8只DS18B20的溫度數據，單片機每隔1min通過串口把8路溫度數據打包后發送給以ZNE-100T，ZNE-100T、實時把數據傳輸到醫院監控中心。系統流程圖如圖4所示。主要的子程序有：DS18B20驅動程序、液晶顯示驅動程序和串口和網絡通信驅動程序。

圖4 系統流程圖

3.1 DS18B20驅動程序設計

單總線通信時只需要1根信號線，并嚴格按照特定的時序要求逐位交換信息，主機和從機允許數據雙向傳輸，但在同一時刻數據的傳輸只能是一個方向的。

(1)初始化時序

初始化時CPU首先發出一個復位信號將單線總線上所有DS18B20復位;然后釋放總線，改成接收狀態，單線被上拉電阻R拉成高電平。在檢測到此上升沿后，DS18B20需要等待15～60μs才向CPU發出響應脈沖，此后便可對ROM，RAM進行操作。

(2)讀/寫時序

①寫時序。CPU把I/O線從高電平拉至低電平時，作為一個寫周期的開始。寫時序包括2種類型即寫1時序和寫0時序。

②讀時序。當CPU將I/O線從高電平拉成低電平時，就作為一個讀周期的開始，并且I/O線保持低電平至少為1μs。DS18B20的輸出數據至讀時序下降沿后的15μs內有效。經過15μs后讀時序結束，I/O線經外部上拉電阻又變成高電平。讀/寫1位數據至少需要60μs，并在兩位數據之間至少要有1μs的恢復期。讀/寫1位數據時序的波形如圖5所示。

圖5 讀/寫1位數據時序的波形

3.2 液晶顯示驅動程序設計

利用點陣液晶顯示模塊LM6038D的串口模式控制工程網版權所有，其時序圖如圖6所示。

圖6 LM6038D串口模式時序圖

LM6038D的顯示驅動程序包含了字符庫，由于系統只是簡單地顯示溫度數據，所以字符庫做的比較小，只有“0～9”，“.”，“：”，“℃”，“+”以及“-”的字符編碼，采用16×16的字符大小。液晶每一頁只顯示4路DS18B20的數據，通過兩個按鍵可以上下翻頁查看其他DS18B20的數據。數據顯示格式：“1：+36.7℃”。

3.3 串口和網絡通信驅動程序設計

單片機和ZNE-100T‘模塊之間通過RS 232接口通信，采用中斷的方式進行串口通信。單片機串口初始化波特率為9600 b/s，單片機在初始化時，就先通過串口對ZNE-100T進行初始化操作，包括設置服務器IP地址，本機IP地址、網關、掩碼以及服務器端口號等，連網成功后，綠色發光二極管會亮起。單片機單元加上ZNE-100T模塊，就構成了病房主機，它和醫院監控中心之間的通信協議如下：

每個病房主機都有一個ID號。單片機每隔1min把采集到的8路溫度數據按照通信協議打包之后通過串口發送給ZNE-100T，ZNE-100T則通過網口把數據發送到醫院監控中心，此時紅色發光二極管會不斷的閃，表示正在發送數據。

4 醫院監控中心

醫院監控中心包括數據庫和監控平臺。數據庫記錄從個病房主機發過來的病人的體溫數據，并且與病人的其他數據庫同步，便于醫生分析病人的病情變化。監控平臺則實時顯示各床號病人的體溫數據，并對體溫變化異常的病床號進行預警，同時顯示相應的編號和床位信息，提示醫護人員注意檢查病人身體狀況。

5 測試結果和實際使用情況

(1)DS18B20溫度測量精度

在測試過程中選用了水銀體溫計同時測量溫度，以檢驗DS18B20的測量精度。在此測量20次體溫，DS18B20的測量結果和水銀體溫記的測量結果基本一致。

(2)監控中心溫度顯示

在實際測試過程中，用5臺病房主機和監控中心組成了一個測試網絡，可以在監控中心實時看到各病房主機發送過來的溫度數據，每路溫度數據都可以以曲線或者數字的方式顯示。

結束語

實踐表明，該系統可以穩定地測量多個人體溫度，可以正常與監控中心通信，并且可以實時地在病房主機上顯示測量的溫度數據。該系統具備穩定性好，成本低廉，采用單總線測溫技術和以太網通信技術，便于實現分布式溫度測量，可以作為子系統模塊在醫院信息系統中應。