王忠 孫瑋 胡芳凝 張豪 王騰騰

摘 要：文中提出一種新的模塊化智能檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案。硬件采用核心板加外部擴(kuò)展模塊的形式，以單片機(jī)平臺(tái)為主體，擴(kuò)展組態(tài)串口屏、傳感器、GPS模塊、WiFi模塊等外設(shè)。核心板CPU為STM32 ，人機(jī)界面采用組態(tài)串口屏，血氧模塊使用MAX30102，WiFi模塊使用ESP8266和MQTT傳輸協(xié)議，選用移動(dòng)OneNET平臺(tái)。文中詳細(xì)闡述了各模塊的設(shè)計(jì)思路，使用的去中心化設(shè)計(jì)方法降低了開發(fā)難度，具有很高的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：去中心化;串口屏;體溫測(cè)量;傳感器;智能檢測(cè);WiFi模塊

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

開發(fā)一款易用、易維護(hù)的人體生理參數(shù)智能檢測(cè)儀，讓自助進(jìn)行人體心電、脈搏、血氧等生理體征參數(shù)的檢測(cè)成為可能。數(shù)據(jù)能本地顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警，并將檢測(cè)結(jié)果上傳到云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP同步顯示和數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)分享，也能與遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺(tái)對(duì)接。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)由檢測(cè)儀終端、數(shù)據(jù)處理云服務(wù)器、移動(dòng)手機(jī)端APP構(gòu)成。設(shè)備通過(guò)WiFi接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，云平臺(tái)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)，用于存儲(chǔ)和后處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行健康狀況分析、預(yù)警，移動(dòng)手機(jī)端APP用于顯示信息以及醫(yī)患交流、數(shù)據(jù)分享[1]。

檢測(cè)儀硬件主要分為主控板、生理數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源管理模塊。主控板完成核心控制功能，生理數(shù)據(jù)采集和后處理由各模塊獨(dú)立完成，再上傳主控板，組態(tài)串口屏獨(dú)立完成顯示功能，通過(guò)UART串口與主控板交互。系統(tǒng)功能不再集中到主控板，而是分散到各模塊。

1.2 系統(tǒng)功能描述

檢測(cè)儀終端采集人體生理參數(shù)，電容顯示屏以圖文形式顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和人機(jī)交互。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)遠(yuǎn)程報(bào)警。報(bào)警時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，必要時(shí)可根據(jù)地理位置開展救助。檢測(cè)儀整機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)詳述

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，核心控制采用STM32低功耗系列處理器，具有4個(gè)UART串口[2]。電源選擇可充電大容量鋰電池和外部供電雙電源系統(tǒng)。WiFi模塊采用通用ESP8266模塊，液晶屏采用廣州大彩公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的組態(tài)串口液晶屏，位置定位使用中科微GPS定位模塊ATGM336H-5N，該模塊功耗較低，可使用電池供電，配合一鍵呼救功能，確保緊急情況下能進(jìn)行遠(yuǎn)程定位。上述三模塊均采用UART接口與MCU對(duì)接。

2.1 體溫測(cè)量模塊

體溫測(cè)量采用探頭式結(jié)構(gòu)，探頭放于人體腋下，溫度傳感器為負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻， 常見的熱敏電阻測(cè)溫范圍為-20～200 ℃，精度可達(dá)0.1 ℃，符合體溫測(cè)量要求[3]。選擇熱敏電阻型號(hào)為MF54-503E3950FA-30，測(cè)溫精度0.01 ℃，阻值精度±0.05%;

基本溫度測(cè)量電路如圖2所示。電路由穩(wěn)壓輸入、測(cè)溫電橋、放大電路構(gòu)成。穩(wěn)壓輸入模塊使用穩(wěn)壓芯片TL431，體溫測(cè)量采用電橋和放大電路實(shí)現(xiàn)。NTC電阻位于電橋電路左上臂，放大電路采用TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的OP07芯片，將熱敏電阻隨人體溫度變化而產(chǎn)生的變化通過(guò)電橋輸出電壓送入放大電路，得到方便測(cè)量的電壓信號(hào)，ADC采用高精度連續(xù)自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，將電信換算成體溫?cái)?shù)據(jù)。為減少誤差，還需要進(jìn)行標(biāo)定和誤差補(bǔ)償處理，由單片機(jī)完成。將體溫測(cè)量部分電路加上ADC傳感器、單片機(jī)做成相對(duì)獨(dú)立的模塊，再通過(guò)UART接口接入系統(tǒng)核心板，保證數(shù)據(jù)精度符合醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 心率血氧測(cè)量模塊

采用Maxim公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MAX30102芯片作為測(cè)量心率血氧參數(shù)傳感器，數(shù)據(jù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該芯片體積小，可應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I2C通信接口，將采集到的數(shù)值傳輸給單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的心率和血氧計(jì)算。

為了進(jìn)一步提高芯片的實(shí)用性和可靠性，將芯片及其周邊元件集成在一個(gè)模塊上，如圖3所示，使用時(shí)通過(guò)I2C接口接入核心板即可。

2.3 組態(tài)串口屏模塊

顯示和人機(jī)交互模塊采用新型組態(tài)串口屏，內(nèi)部集成 TFT 顯示驅(qū)動(dòng)、圖片字庫(kù)存儲(chǔ)、GUI操作、RTC 顯示、各種組態(tài)控件于一體。系統(tǒng)采用 Cortex-M3+高速FPGA處理器，通過(guò)ARM實(shí)現(xiàn)協(xié)議的解析處理和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要完成FLASH的圖片讀取和TFT控制顯示。使用功能相對(duì)獨(dú)立的串口屏，使系統(tǒng)控制功能和顯示功能分離，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，可靠性高。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件劃分為四部分，分別是檢測(cè)儀的主程序控制;ESP8266模塊的WiFi接入;云平臺(tái)接入;手機(jī)端APP開發(fā)。

3.1 單片機(jī)核心控制部分

體溫測(cè)量模塊和血氧測(cè)量模塊均為獨(dú)立模塊，通過(guò)I2C接口接入單片機(jī)，ESP8266模塊、GPS定位模塊、組態(tài)串口屏模塊均通過(guò)UART串口接入單片機(jī)[4]。

顯示功能采用組態(tài)串口屏，數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)交互均通過(guò)串口發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)，控制功能和人機(jī)界面功能分離。因此系統(tǒng)初始化后，運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的前后臺(tái)系統(tǒng)即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用ESP8266模塊接入WiFi，在其開發(fā)平臺(tái)上利用Lua腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括WiFi智能路由無(wú)線連接功能、MQTT客戶端與MQTT云服務(wù)器端數(shù)據(jù)通信功能，由于該模塊功能比較成熟，本文不再詳述[5]。

3.3 OneNET云平臺(tái)

OneNET是中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)文檔完善，開發(fā)者只需按照OneNET平臺(tái)的規(guī)范接入平臺(tái)，上傳設(shè)備數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，需要時(shí)可以從云平臺(tái)下載到本地進(jìn)行分析處理，平臺(tái)提供觸發(fā)器功能，可以將滿足條件的數(shù)據(jù)推送給第三方，本文利用平臺(tái)的觸發(fā)器功能，將數(shù)據(jù)推送到第三方服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測(cè)試

搭建系統(tǒng)后，對(duì)終端進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)開啟手機(jī)APP，云平臺(tái)和手機(jī)同步顯示生理數(shù)據(jù)，如圖4所示。當(dāng)人體出現(xiàn)異常時(shí)，將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行定位，位置顯示在電子地圖上，同時(shí)顯示報(bào)警監(jiān)測(cè)對(duì)象的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息、個(gè)人聯(lián)系方式、詳細(xì)的地圖定位。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)與報(bào)警、監(jiān)測(cè)對(duì)象位置定位等功能。手機(jī)APP顯示測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種去中心化的新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，類似計(jì)算機(jī)分布式處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的去中心化。體溫測(cè)量模塊和血氧模塊作為獨(dú)立模塊出現(xiàn)，并單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證測(cè)量數(shù)據(jù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，核心處理器MCU只負(fù)責(zé)接收各模塊的數(shù)據(jù)并控制，顯示和人機(jī)交互部分采用相對(duì)獨(dú)立的組態(tài)串口屏，實(shí)現(xiàn)控制和顯示功能的分離，對(duì)MCU的資源要求降低。WiFi接入和GSP定位模塊也采用了相對(duì)獨(dú)立的模塊。

各模塊功能相對(duì)獨(dú)立，模塊內(nèi)部功能高度內(nèi)聚，模塊之間低耦合，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)可靠性，方便后期故障檢測(cè)和維護(hù)。試驗(yàn)表明，本設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，這種將功能合理分散的“去中心化設(shè)計(jì)”思路有很高的借鑒價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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