韓 團(tuán) 軍

(陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

隨著人們的生活水平的提高，心血管疾病的發(fā)病率也在不斷地上升，心血管疾病已經(jīng)嚴(yán)重影響著人們的身體健康，且心臟病具有高危險(xiǎn)性和突發(fā)性，為了及時(shí)地發(fā)現(xiàn)病情，對(duì)心臟類疾病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)護(hù)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀大多是在醫(yī)院進(jìn)行監(jiān)護(hù)，監(jiān)護(hù)設(shè)備非常昂貴，這就限制了病人的生活范圍。因此，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)護(hù)病人的心電信息，對(duì)病人的心電情況可以及時(shí)地掌握的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀顯得尤為重要[1-3]。本文提出了一種基于Wi-Fi與GPRS的遠(yuǎn)程生理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32為MCU，SFH7050為專用心電監(jiān)測(cè)傳感器，GPRS和Wi-Fi模塊作為傳輸手段，實(shí)現(xiàn)了心電、血氧、等生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。它可實(shí)時(shí)、有效地記錄病人的心電生理參數(shù)，并能在智能終端上顯示用戶健康數(shù)據(jù)。用戶時(shí)刻了解自己和家人的身體狀況，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候可以進(jìn)行休息或去咨詢醫(yī)生[4-6]。此系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的典型應(yīng)用，可以被廣泛推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分為硬件終端監(jiān)測(cè)部分和Android終端部分，其組成為傳感器采集、信號(hào)放大與濾波、單片機(jī)、液晶驅(qū)動(dòng)、Flash存儲(chǔ)器、按鍵及LED、Wi-Fi/GPRS、電源等電路組成。通過(guò)脈搏傳感器將心臟脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大、濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)接收數(shù)字信號(hào)，分析、處理、顯示，再將數(shù)據(jù)加密后傳給Wi-Fi/GPRS模塊，使用Wi-Fi/GPRS網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，將加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)并提取轉(zhuǎn)換實(shí)際有效的數(shù)據(jù)，寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以直接傳送到用戶指定的終端上，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器電路也是下位機(jī)電路，SFH7050傳感器它是一種反射式光電傳感器，使用時(shí)只需將身體任何部位和傳感器接觸就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。SFH7050內(nèi)部由紅，綠，紅外和一個(gè)光電二極管構(gòu)成。光電二極管在選用時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流極其微弱；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。使用535 nm的綠光照射手指，當(dāng)波長(zhǎng)為535 nm左右時(shí)，血液中的血紅蛋白對(duì)光線的吸收較好。當(dāng)心臟收縮時(shí)，外周血容量最大，光吸收量最大，此時(shí)光電二極管檢測(cè)到的光強(qiáng)度最弱，輸出電流最?。欢?dāng)心臟舒張時(shí)，正好相反，此時(shí)光吸收量最少，光強(qiáng)最大，光電二極管輸出電流最大，這樣光強(qiáng)就隨著心臟搏動(dòng)呈周期性變化，將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)就可以獲得脈搏信息。使用紅光和紅外光交替在手指上進(jìn)行測(cè)量，反射回來(lái)的兩種不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，使用光電容積法可用于計(jì)算血氧飽和度。分光光度測(cè)定是采用紅光和紅外光，根據(jù)氧合血紅蛋白(HbO2)對(duì)紅光吸收量較少。而對(duì)紅外光吸收量較多；血紅蛋白(Hb)則反之，用分光光度法測(cè)定紅外光吸收量與紅光吸收量之比值，就能確定血紅蛋白的氧合程度可以將心臟搏動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，經(jīng)放大器放大、濾波，送達(dá)控制芯片，使用STM32內(nèi)部的12位高精度A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將采集到的脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括軟件濾波、心率計(jì)算、血氧濃度計(jì)算、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)、送入無(wú)線模塊以及驅(qū)動(dòng)LCD顯示圖形和數(shù)據(jù)[7-12]。傳感器設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

1.2 放大電路與濾波電路的設(shè)計(jì)

由于傳感器輸出的原始信號(hào)非常微弱，峰峰值為微伏級(jí)，極易受到各種噪聲信號(hào)的干擾，所以直接使用原始的信號(hào)來(lái)測(cè)量人體的脈搏狀態(tài)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。為了得到STM32可以采集的模擬信號(hào)，需要使用放大電路和濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，保證送入A/D模塊的信號(hào)是穩(wěn)定有效的。設(shè)計(jì)中采用SON3130高精度運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)放大，它的失調(diào)電壓可至μV級(jí)，漂移小，內(nèi)部由四個(gè)獨(dú)立的放大器構(gòu)成，非常適合做微弱信號(hào)放大。放大器采用了兩級(jí)反相放大，反向放大時(shí)運(yùn)放兩個(gè)輸入電位始終近似為零(同相端接地，反相端虛地)，只有差模信號(hào)，因此抗干擾能力強(qiáng)，如圖3所示。濾波電路采用SON3130運(yùn)放構(gòu)成的二階Sallen-key低通濾波器。輸入信號(hào)從4端口經(jīng)R10接入經(jīng)兩級(jí)放大后從芯片8端口輸出,放大電路的輸出U0作為電路的輸入通過(guò)鋁箔可得心電信號(hào)。由于心電信號(hào)頻率一般為1～2 Hz，所以將濾波器截止頻率設(shè)置為10 Hz左右，用來(lái)濾除干擾，如圖4所示。

圖3 主放大電路

圖4 濾波電路

1.3 無(wú)線模塊電路

無(wú)線模塊采用SIM900A的GPRS雙頻模塊，和ESP8266的Wi-Fi模塊，他們的共同特點(diǎn)是具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、通信協(xié)議簡(jiǎn)單操作方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，最重要的是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更方便。單片機(jī)通過(guò)USART串口和該模塊進(jìn)行通信，發(fā)送AT命令即可輕松完成配置，全雙工通信的性能使得終端和底層硬件實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合，有效的提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。設(shè)計(jì)中將Wi-Fi模塊接到了單片機(jī)的串口2，GPRS模塊接到了串口3，電路如圖5、6所示。

圖5 Wi-Fi模塊電路

1.5 電源模塊

電源部分分為+5 V和+3.3 V兩路電源。其中+5 V由USB接口提供，用來(lái)給無(wú)線模塊供電；由于放大電路采集的為微弱信號(hào)，因此為了保證電源的穩(wěn)定和純凈，+3.3 V采用AMS1117線性穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生，用來(lái)給單片機(jī)和運(yùn)放供電[12-14]。整個(gè)電源模塊如圖7所示。

圖6 GPRS電路

圖7 整體電源電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)部分和下位機(jī)部分。上位機(jī)部分主要為安卓APP，分為心電圖顯示部分、心率顯示和功能按鈕部分，心電圖顯示部分能夠?qū)崟r(shí)接收監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)到的數(shù)據(jù)；下位機(jī)部分主要是單片機(jī)控制程序，分為A/D采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、液晶顯示、Flash讀寫(xiě)、無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)、按鍵及LED驅(qū)動(dòng)等。整體運(yùn)行流程為：程序開(kāi)始先進(jìn)行一系列初始化配置，包括GPIO、SPI、ADC、USART、定時(shí)器、中斷和液晶的初始化。在主循環(huán)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的A/D轉(zhuǎn)換及按鍵掃描，在中斷程序內(nèi)部進(jìn)行心率血氧計(jì)算、液晶顯示及數(shù)據(jù)發(fā)送。A/D采集使用STM32內(nèi)部12位A/D模塊，可以將0～3.3 V的電壓分成2^12份數(shù)字量，分辨率可達(dá)3.3/(2^12)V，也就是大約0.8 mV，可以通過(guò)歸一化后，可以直觀的顯示出脈搏信號(hào)的幅度大小，便于進(jìn)行分析處理。心率計(jì)算的方法如下：首先將脈搏信號(hào)整型成矩形波，便于單片機(jī)采集，然后通過(guò)定時(shí)器的開(kāi)關(guān)計(jì)算相鄰兩個(gè)低電平之間的時(shí)間差，則心率值=60 s/相鄰低電平時(shí)間差，也就是說(shuō)檢測(cè)到低電平便開(kāi)定時(shí)器，再次檢測(cè)到后，關(guān)掉計(jì)時(shí)器，計(jì)算出兩次的時(shí)間間隔，便可得到瞬時(shí)心率。

反射式血氧飽和度測(cè)量可以通過(guò)光電容積脈搏波信號(hào)的交流與直流信息計(jì)算得到。具體方法為，用單片機(jī)控制紅光和紅外光交替照射手指，然后測(cè)量不同光線的電壓值，然后根據(jù)上式計(jì)算其比值，即可近似得到血氧濃度[15-17]。整體的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

3 測(cè)試與分析

3.1 心率、血氧模塊測(cè)試

人體標(biāo)準(zhǔn)的血氧飽和濃度范圍為90%以上，脈率范圍為60/min～100/min。正常情況下，心率和脈率相同，但如果病人有心臟疾病或者出現(xiàn)室顫等特殊情況時(shí)，心率會(huì)大于脈率。本次對(duì)同一個(gè)人連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)試，每次間隔時(shí)間1分鐘，結(jié)果如下表1。

表1 心率、血氧模塊測(cè)試數(shù)據(jù)表

3.2 血壓模塊測(cè)試

血壓測(cè)試的主要參數(shù)為舒張壓(低壓)，收縮壓(高壓)，正常成年人的收縮壓約為140～90 mm Hg，舒張壓約為90～60 mm Hg]。本次測(cè)試對(duì)同一個(gè)人進(jìn)行5次血壓測(cè)量，結(jié)果如表2。

表2 血壓模塊測(cè)試數(shù)據(jù)表

根據(jù)無(wú)創(chuàng)自動(dòng)測(cè)量血壓計(jì)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(YY0670-2008)，血壓測(cè)量范圍為0～255 mm Hg，收縮壓和舒張壓的最大允許誤差為±10 mm Hg[45]。本次測(cè)量結(jié)果中，測(cè)量值與設(shè)定值有2到3 mm Hg的誤差，屬于標(biāo)準(zhǔn)范圍，所以血壓的測(cè)試結(jié)果基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

3.3 無(wú)線模塊測(cè)試分析

無(wú)線模塊的調(diào)試使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手和串口調(diào)試助手來(lái)完成。首先打開(kāi)串口調(diào)試助手，使用USB-TTL串口線連接好無(wú)線模塊，使用AT指令將無(wú)線模塊配置成為Station模式：整個(gè)過(guò)程為發(fā)送AT+CWMODE=1，模塊返回OK；發(fā)送AT+CWLAP搜索無(wú)線路由器，模塊返回路由器列表；發(fā)送AT+CWJAP="haha","密碼xxxxxx"，連接上路由器，如果連接成功，模塊返回OK；打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，選擇TCP Server模式創(chuàng)建服務(wù)器；發(fā)送AT+CIPSTART="TCP","192.168.22.14",8080，連接上服務(wù)器，模塊返回OK。接下來(lái)發(fā)送AT+CIPSEND=6，設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后發(fā)送文本”HELLO！”，模塊返回OK，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手接收到”HELLO!”，通信正常。結(jié)論如圖9所示。

圖9 無(wú)線模塊通信正常

3.4 安卓上位機(jī)顯示結(jié)果及分析

檢測(cè)結(jié)果通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機(jī)APP上，可以直觀地通過(guò)心電圖顯示病人的心臟搏動(dòng)情況。心率顯示分為三個(gè)等級(jí)，過(guò)慢、正常和過(guò)快，心率數(shù)值可以隨著等級(jí)變換顏色，過(guò)慢為黃色，正常為綠色，過(guò)快為紅色。功能按鈕有健康分析、健康咨詢、在線預(yù)約、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、健康云等待開(kāi)發(fā)功能，在手機(jī)上的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。同時(shí)設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)送終端如圖11所示。

圖11 發(fā)送終端

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于Wi-Fi與GPRS的遠(yuǎn)程生理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，將Wi-Fi和GPRS技術(shù)應(yīng)用于心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使大量的心電數(shù)據(jù)傳輸由有線變?yōu)闊o(wú)線。完成了監(jiān)測(cè)部分和Android終端對(duì)人體生理參數(shù)精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)通用性好，易于擴(kuò)展。整個(gè)設(shè)計(jì)成本低，且操作方便，非常適合不住院病人個(gè)體使用，具有良好的醫(yī)用推廣價(jià)值。

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