第3章　系统分析

3.1 业务需求

智能病房监护系统的开发旨在提升患者的健康管理、舒适性和安全性。通过集成多种健康监测设备与自动化管理，医疗人员可以随时监控患者的健康状况，并在发生异常时及时干预。系统能够实时监测患者的体温、血压、脉搏、运动量等生理数据，自动响应健康状况变化，确保及时发现并处理健康问题。同时，跌倒检测与报警功能保障患者的安全，避免因意外跌倒而带来的严重后果。语音提醒和远程通知功能则确保患者按时服药、运动，并让医护人员及时掌握患者情况，为患者和医护人员提供更高效、智能、安心的护理体验。

1.核心业务需求

（1）实时健康监测：系统能够实时获取并监测患者的健康数据，包括体温、血压、脉搏、运动量等。通过集成传感器（如脉搏检测模块、血压计、红外测温模块、MPU6050计步模块），系统可以定期自动记录并显示患者的健康数据，确保及时发现异常。

（2）语音提醒功能：系统通过语音播报向患者或医护人员发出健康状态的提醒。例如，语音播报心率、血压、体温等数据，及时提醒患者按时吃药、完成运动，或者在数据异常时发出语音警告。这一功能大大提高了患者和护理人员的及时响应能力。

（3）跌倒监测与报警：通过MPU6050传感器进行跌倒检测，一旦患者跌倒，系统立即通过蜂鸣器发出报警，通知医护人员采取紧急处理措施。这项功能对于老年人和行动不便的患者尤为重要，能够有效减少跌倒带来的伤害。

（4）健康数据阈值设置与报警：系统允许医护人员或患者设置个性化的健康数据阈值（如脉搏上下限、血压上下限、体温范围等）。当监测到的健康数据超出预设范围时，系统会自动发出语音提示，并通过GSM模块发送短信警告，确保患者的健康得到及时关注。

（5）数据存储与显示：系统通过显示屏实时显示患者的健康数据，并存储历史数据，方便患者和医生进行健康管理和数据回顾。系统支持按时间段查看健康趋势，帮助医护人员做出更准确的诊断。

（6）远程监控与通知功能：医护人员可以通过远程监控平台（如APP或Web端）实时查看患者的健康状况和监测数据，并接收报警信息。系统还支持通过GSM模块发送短信，将患者的健康状况即时通知到指定人员，确保病房内外的多方协同工作。

2.辅助业务需求

（1）用户界面设计：提供简洁直观的用户界面，方便病患或医护人员访问和操作各项健康监测功能。界面应包括实时健康数据（如脉搏、血压、体温、步数等）的显示区域，设备控制功能（如启动测量、设定警报上下限等），以及系统警报区域。设计时应确保界面清晰、信息层次分明，配备快速导航和响应功能，让用户能够迅速查看关键数据和做出相应操作。

（2）数据管理与存储：系统应具备强大的数据管理功能，能够记录并存储病人的健康数据，包括历史的脉搏、血压、体温、步数等信息。所有数据应按照时间戳排列，方便用户和医护人员查看过去的监测记录。同时，系统需要支持数据的自动备份和保护，确保病人数据的安全性和隐私性，避免丢失或泄露。

（3）语音提醒与报警：系统需要通过语音提醒用户（或病人）在关键时刻进行操作，比如吃药时间到、运动量低或过高等。语音提醒应清晰、简洁，避免重复和过度干扰。对于异常健康数据（如血压、脉搏、体温偏高或偏低），系统应及时触发语音报警，并提供相应的健康提示，以便用户和医护人员采取适当的行动。

（4）实时监控与警报功能：系统应具备实时监控的能力，能够持续追踪病人的健康状态并在出现异常时立即报警。当脉搏、血压、体温、运动量等数据超出设定的正常范围时，系统应自动触发报警。此类报警包括语音提醒、屏幕警告、蜂鸣器声音以及短信通知，确保病人得到及时关注。尤其对于跌倒等突发情况，系统应能够快速反应并报警，帮助医护人员或家属及时应对。

（5）远程监控与通知：为了提高监护效率，系统应支持远程监控功能，允许医生或家属通过移动设备（如手机APP）实时查看病人的健康数据。在异常情况发生时，系统应通过GSM模块自动发送短信通知，告知医生或家属病人的健康状况和潜在的风险，确保快速响应并采取相应措施。

（6）设备管理与维护：系统设计应支持对各类健康监测设备（如脉搏检测模块、血压计、体温测量模块等）进行集中管理和维护。设备的连接、状态、工作情况等应实时显示在用户界面中，便于操作人员对设备进行检查、校准和更换。系统还应提供设备故障诊断功能，当设备出现问题时，能够通过语音或短信提醒用户进行处理，确保系统的正常运行。

3.2 用户需求

3.2.1 用户需求描述

1.病房场景用户需求

用户希望在病房中，能够通过智能系统轻松监控和管理患者的健康状况，以确保及时发现潜在的健康问题。具体需求包括：通过传感器模块（如脉搏、血压、体温、运动量等）自动实时监测患者的生理数据。当数据超出设定的范围时，系统会自动发出语音提醒、警报提示或短信通知相关医护人员，确保患者在任何时候都能够得到及时的照护。此外，系统应提供简单易操作的控制面板，允许医护人员或患者亲自设定警报的阈值或增加/删除吃药时间等，确保健康监控更加个性化。

2.远程医疗场景用户需求

用户希望通过智能病房监护系统能够实现远程医疗监控，尤其是对于不能常常到医院就诊的患者，远程监控能够实时反馈患者的健康状况，便于医生进行诊断和调整治疗方案。具体需求包括：系统通过GSM短信或APP将异常数据和警报信息及时推送给患者的家属或医生，确保患者在任何时候都可以得到医疗团队的关注。此外，系统还应支持医生或家属通过远程APP查看患者的健康数据记录，提供便捷的沟通和干预渠道，提升医疗服务的质量和效率。

3.紧急情况响应用户需求

用户希望在发生紧急情况时，智能病房监护系统能够第一时间响应，并采取适当的行动保障患者安全。具体需求包括：当系统检测到患者出现跌倒、心率过低或过高等异常情况时，系统应立即触发报警功能，启动蜂鸣器报警、语音提醒，并通过短信向相关人员发送警报信息，确保及时救援。系统应具备高效、迅速的反应能力，以应对突发状况，保证患者在紧急情况下的安全和健康。

4.健康数据统计与反馈用户需求

用户希望系统能够提供详细的健康数据报告，以便患者或医护人员进行长期跟踪和评估。具体需求包括：系统应自动记录患者的脉搏、血压、体温、步数等数据，并按日期进行归档，便于查看和分析。每晚，系统将自动语音播报当天的步数情况，并提供个性化的运动反馈，如“今天运动量达标”或“今天运动量较少”。此外，系统还应能生成日、周、月度健康报告，帮助用户全面了解自己的健康趋势，及时调整日常生活方式。

3.2.2 用例建模

在智能病房监护系统的设计和实现中，关键功能模块的用例需求分析确保了各设备能够高效、可靠地满足患者及医护人员的需求。时间监控模块需通过RTC内部时钟模块获取并显示当前时间，允许用户通过按键修正时间，并设置或删除吃药时间。当时间到达设定的吃药时间时，系统通过语音提醒患者按时服药。运动监控模块应通过MPU6050传感器实时检测步数，并允许用户设置步数最小值。每天晚上，系统会自动语音播报当天的步数，并在步数低于设定值时语音提醒“今天运动量较少”，当步数符合设定值时，播报“今天运动量达标”。心率监测模块需通过脉搏检测模块在按键启动后，实时测量脉搏并与设定的上下限值进行对比，当脉搏低于最小值时语音提醒“心率过低”，在正常范围内播报“心率正常”，高于最大值时播报“心率过高”。血压监测模块应通过血压计检测模块进行实时血压测量，支持按键启动和设置上下限值，超出范围时通过语音播报“血压过低”或“血压过高”。体温监测模块需通过红外测温模块定期监测患者体温，当体温低于设定的最小值时，语音播报“体温过低”，处于正常范围时播报“体温正常”，超出最大值时播报“体温过高”。跌倒监测模块应通过MPU6050进行跌倒检测，当发生跌倒时，系统触发蜂鸣器报警，确保患者及时得到关注。此外，系统还需通过显示屏实时显示各项健康数据，确保医护人员随时了解患者的健康状况。当健康数据出现异常时，系统通过GSM模块自动发送短信，及时通知医护人员或患者家属。通过对各模块的全面测试，确保智能病房监护系统在实际使用中能稳定、智能地响应用户需求，提升患者的护理质量与安全性。用例如图3.1所示。

图3.1 用例图

在智能病房监护系统中，计步检测用例用于实时监测患者的活动情况。患者通过佩戴智能设备，如计步器或智能手表，系统会不断采集其步数数据，并进行步态分析。数据传输至监护系统后，护理人员可以通过系统查看患者的步数变化和活动趋势，评估康复进度或活动能力。若系统检测到步态异常或设备故障，会通过提示警报，及时通知护理人员进行干预。此用例为患者健康管理提供了关键的辅助数据支持。用例描述如表3.1所示。

表3.1 智能病房监护系统用例描述

3.3 模块需求描述

根据3.2小节对系统的用例建模，对主要用例的描述以及对关键用例的活动图分析，可以将系统分为以下功能模块：计步检测、体温检测、血压检测、脉搏检测、跌倒检测、远程医疗、紧急响应、健康数据统计和定时提醒喝药。每个模块的详细功能将在设计阶段进一步介绍，以下是这些模块的基础功能项描述，如表3.7所示。

表3.7 模块需求用例描述

3.4 非功能需求

3.4.1 系统可靠性

智能病房监护系统的可靠性是确保患者生命安全和病房管理高效运作的关键。为此，系统设计中采用了高可用性和冗余机制，确保在设备故障或通信中断的情况下，系统仍能持续运行。例如，采用多层备份和双路电源设计，当主电源出现问题时，备用电源能自动接管，保证设备的正常运行。此外，系统中的传感器和监控设备选择了高精度和高稳定性的硬件，以减少测量误差和硬件故障的发生。为了应对系统可能出现的软硬件故障，定期的系统检测和自动故障恢复机制也得到了实现，从而确保系统在长期运行中的稳定性。通过这些措施，智能病房监护系统能够在复杂的环境中持续、稳定地运行，提供可靠的医疗支持。

3.4.2 系统安全性

系统的安全性对智能病房监护系统至关重要，特别是在涉及患者个人健康数据和医疗信息时。为了确保数据的保密性和完整性，系统设计采用了多层次的安全保护策略，包括数据加密、身份验证和访问控制等技术。数据在传输过程中采用了加密协议（如SSL/TLS），防止敏感信息在网络中被窃取。系统中只有授权人员才能访问患者的健康数据，且每次操作都会记录在案，以便追溯和审计。此外，系统采用了强密码机制和生物识别技术，确保只有经过身份验证的用户能够访问病房监控系统。为了防范外部攻击，系统还配备了防火墙和入侵检测系统，实时监控系统的安全状况，保障医疗数据不被恶意篡改或泄露。

3.4.3 系统可拓展性

随着医疗技术的不断进步和患者需求的变化，智能病房监护系统的可拓展性成为系统设计的一个重要考虑因素。系统的架构采用了模块化设计，使得各个功能模块可以独立扩展和替换。例如，在未来新增传感器或监测设备时，系统能够无缝地与新设备对接并支持扩展功能。同时，系统的数据库设计采用了分布式架构，能够灵活处理日益增长的患者数据量，并且具备良好的横向扩展性。对于新的医疗监测需求，系统能够根据实际需要进行软硬件的灵活调整，从而实现高效、稳定的服务。此外，系统还支持与其他医疗平台的对接，可以根据未来的技术发展和医疗需求进行功能扩展，满足不断变化的市场需求。

3.4.4 系统易用性

智能病房监护系统的易用性直接影响到医护人员的工作效率以及患者的使用体验。在设计过程中，系统的用户界面（UI）遵循简洁直观的原则，确保医护人员能够快速上手并高效操作。通过图形化的界面和直观的操作流程，用户可以轻松查看患者的健康数据、监控设备状态和调整系统设置。此外，系统支持多种终端设备（如PC端、移动端等）的访问，医护人员可以在不同环境中进行操作，极大地方便了远程监控和管理。对于患者，系统提供了简易的设备操作界面和语音提示，帮助其更好地理解和使用智能设备。通过集成定时提醒、语音交互等功能，系统有效地提升了患者的生活质量，确保其在智能病房环境中的舒适度和安全性。

3.5 系统开发环境

硬件组件：STM32微控制器（例如STM32F103系列）、体温传感器（可以是模拟输出或数字输出，这里假设是模拟输出）、串口转USB模块（用于与上位机通信）、电源和其他必要的电子元件

软件组件：软件组件中，除了STM32CubeMX、STM32 HAL库、串口通信协议和上位机软件之外，还需要引入ZigBee相关的组件。具体来说，ZigBee协议栈（如ZigBee PRO或其他厂商提供的ZigBee协议栈）将用于实现无线通信功能。通过ZigBee模块的驱动和协议栈，系统可以实现病床与主机之间的无线数据传输。ZigBee协议栈包括了从物理层到应用层的完整通信协议，支持低功耗、高可靠性的无线通信。在STM32平台上，ZigBee模块（例如基于CC2530、Xbee等芯片）通过UART接口与STM32微控制器进行通信，实现数据的发送和接收，并与上位机或其他设备进行数据交互。

3.6 系统任务的可行性分析

3.6.1 技术可行性

智能病房监护系统的设计基于先进的嵌入式系统和传感技术，目前广泛应用的微控制器如ARM架构处理器、单片机等，具备强大的处理能力和丰富的外设接口，能够高效地支持多种传感器和执行器的集成。系统可以集成各种医疗传感器（如心电图、血压、血氧、体温等）来实时监测患者的生命体征，并通过无线通信技术（如Wi-Fi、ZigBee、LoRa等）实现数据远程传输和控制。此外，随着物联网（IoT）技术的发展，设备之间的互联互通更加便捷，这为智能病房监控系统提供了可靠的数据交换支持。系统还可以结合人工智能和机器学习技术进行数据分析和诊断辅助，从而提升监控和预警能力。现有的语音识别与控制技术也能够为医护人员提供便捷的语音交互功能，进一步提高系统的智能化和可操作性。

3.6.2 经济可行性分析

随着智能硬件和医疗技术的快速发展，智能病房监护系统的组件成本逐渐降低，尤其是传感器、微处理器和无线通信模块的价格日益亲民，降低了系统开发和实施的总体成本。当前许多医疗设备和传感器的价格已能满足大规模应用的需求。通过使用标准化、模块化的硬件和软件设计，系统具备了良好的可扩展性和高性价比，且在长期运行中的维护成本较低。智能病房监护系统的成本效益得到了云计算平台和大数据技术的进一步优化，这些技术支持远程监控和数据存储，减少了医院本地硬件和维护的压力。系统的维护和更新也可以通过软件升级和云服务来完成，降低了整体的运维成本。

3.6.3 社会可行性分析

智能病房监护系统的设计和实现符合当前智能医疗和智慧医院的产业趋势，随着社会老龄化程度的加深和医疗需求的增长，越来越多的医院和医疗机构正在逐步推广智能化设备和远程医疗服务。智能病房监护系统能够提高病房管理的效率和患者的护理质量，满足现代医疗服务的高标准要求。该系统可以为患者提供更精确的生命体征监测和即时预警，减少医护人员的工作负担，提升医疗资源的利用效率。随着公众健康意识的提升和对个性化医疗服务需求的增加，智能病房监护系统具有广阔的市场前景，并能够满足医疗行业日益增长的需求，有望在未来的医疗环境中发挥重要作用。

4.2.1 硬件设计

1.主控模块电路设计

在电路设计方面，首先确保电源管理系统的稳定，使用稳压器将电源转换为适合微控制器和通信模块的电压。同时，微控制器通过UART接口与Zigbee模块（如CC2530）和WiFi模块（如ESP8266）连接，前者用于低功耗、短距离的数据传输，后者负责将数据上传至云端。Zigbee模块支持组网功能，适合于病房内的多设备互联，而WiFi模块则提供更高的数据传输速率和远程访问能力。整体设计注重电路的简洁性与抗干扰能力，以确保监护系统的稳定性和可靠性，从而实现对病人状态的实时监测与管理。STM32F103C8T6是一款常用的32位单片机，它采用了ARM Cortex-M3内核，具有丰富的外设和强大的处理能力。

常用引脚功能：VDD和VSS：供电引脚，连接正负电源。BOOT0和BOOT1：引导模式选择引脚。BOOT0决定芯片启动时是从用户Flash还是System Memory启动。NRST：复位引脚，用于芯片复位。SWDIO和SWCLK：调试和编程接口引脚。用于通过SWD（Serial Wire Debug）接口对芯片进行调试和编程。PAx、PBx、PCx等：通用IO引脚，可用于多种功能。例如，用于连接外部器件、控制LED等。USARTx、SPIx、I2Cx：串口通信、SPI、I2C等通信接口引脚，用于与其他设备进行通信。ADCx：模拟输入引脚，用于连接模拟传感器、测量模拟信号。TIMx：定时器引脚，用于生成定时信号、PWM等。PWM输出引脚：用于产生PWM信号，可用于驱动电机、调光等。外部中断引脚：用于连接外部中断信号，实现外部事件触发中断。如图4.3所示为单片机最小系统原理图。

图4.3 单片机最小系统原理图

第5章　系统实现

5.1 系统整体实现

图5.1 整体实物图

5.2 计步检测实物实现

图5.2 步数监测实物图

5.3体温检测实物实现

图5.3 体温监测实物图

5.4血压检测实物实现

图5.4 血压监测模块实物图

5.5脉搏检测实物实现

图5.5 脉搏监测实物图

5.6 跌倒检测实物实现

图5.6 监测到用户跌倒实物图

5.7 定时提醒喝药实物实现

图5.7 定时提醒用户吃药实物图