烏亞晗,張 芮,趙正瑞,周會濤,劉佳璐,陳興文,劉 燕
(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,遼寧 大連 116605)
我國已進入老齡化社會,大多數(shù)老人由于子女工作繁忙或異地工作,常常處于獨居養(yǎng)老狀態(tài)。慢性疾病是影響老人生活質(zhì)量的首要因素,其中心肺疾病被稱為頭號殺手。如何解決獨居老人心血管慢性疾病的實時監(jiān)測問題,實現(xiàn)生理與起居狀態(tài)被家人及社區(qū)了解是極其必要的。這也是系統(tǒng)設(shè)計的靈感和初衷。
針對老年人心肺慢性病特征和獨居養(yǎng)老起居問題,本裝置設(shè)計需從以下幾個方面考慮設(shè)計需求:
1) 心肺生理參數(shù)采集傳感器選型,要考慮集成化、小型化和信號輸出的穩(wěn)定性,盡量避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤報等情況;
2) GPS定位與GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊選型,利用GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌K的傳統(tǒng)方式不僅增加成本,而且體積較大、不利于便攜,因此要考慮GPS與GSM的集成模塊設(shè)計;
3) 生活起居狀態(tài)監(jiān)測傳感器選型,傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式采用3軸加速度計,這只能實現(xiàn)防摔倒檢測,但是對老人日常鍛煉身體時的姿態(tài)監(jiān)測是不全面的;如果采用六軸傳感器可以更準(zhǔn)確監(jiān)測著地方式、著地力、擺動角度、步幅、步頻等參數(shù),可以輔助指導(dǎo)老人日常鍛煉。
根據(jù)設(shè)計需求,系統(tǒng)主要由STM32單片機、串口擴展模塊、血氧濃度采集、六軸姿態(tài)感知傳感器、GPS與GSM集成模塊(SIM868模塊)、人機接口(LCD顯示、鍵盤)、電源供電管理模塊(包括充電電路)等部分構(gòu)成。當(dāng)人機接口發(fā)出系統(tǒng)啟動命令,STM32便發(fā)出狀態(tài)數(shù)據(jù)采集指令;當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)異常,便發(fā)出指令通過SIM868模塊發(fā)給手機上告知家人或者社區(qū)管理人員。由于SIM868和血氧飽和度測量模塊都要用到串口資源,故為STM32設(shè)計串口擴展功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖
本系統(tǒng)硬件以STM32F103單片機為控制核心,充分利用SIM868模塊集成了GPS和藍牙功能,實現(xiàn)系統(tǒng)語音、短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、藍牙數(shù)據(jù)傳輸和GPS定位等功能,利用血氧飽和度和六軸傳感器實現(xiàn)人體生理與起居狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測。下面就SIM與單片機接口、串口擴展和血氧飽和度及六軸傳感器模塊的硬件設(shè)計作具體介紹。
為了能夠同時滿足對GSM數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的收發(fā)操作,需要對STM32最小系統(tǒng)進行串口擴展。目前,通用的串口擴展主要有軟件和硬件兩種實現(xiàn)方法。其中軟件實現(xiàn)存在著通信頻率低和采樣次數(shù)少的問題[1]。出于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計需求,采用硬件擴方式。在這里選用成都國騰微電子公司出品的GM8123芯片來實現(xiàn)硬件擴展。該芯片可以將一個全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴展成3個標(biāo)準(zhǔn)串口,并能通過外部引腳控制串口擴展模式。在單通道工作模式時,指定一個子串口和母串口以相同的波特率單一的工作;在多通道工作模式時,也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時工作。母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié),而不需要修改外部電路和晶振頻率。具體擴展接口如圖2所示。
圖2 串口拓展接口電路
為實現(xiàn)將位置信息和慢性病人生理與起居參數(shù)上傳遠端,選用SIMCOM(希姆通)公司生產(chǎn)的SIM868模塊設(shè)計。該模塊除了支持短信、電話、GPRS、DTMF、TTS、HTTP、FTP、彩信、郵件這些功能外,還支持高性能全球定位系統(tǒng),支持GPS、北斗和GLO三大定位系統(tǒng),及免費提供支持基站定位。模塊電源可采用DC-DC和USB模式供電。模塊的GSM串口和GPS串口都設(shè)計了電平轉(zhuǎn)換電路,兼容TTL串口。模塊中的GSM、GPS、藍牙天線都進行了阻抗控制。
血氧飽和度是反映血液中血氧濃度的指標(biāo),可直接掌握全身氧和狀況。連續(xù)監(jiān)測血氧飽和度可早期發(fā)現(xiàn)隨時出現(xiàn)的低血糖癥,以避免因為缺氧造成身體損傷甚至死亡。通常的血氧數(shù)據(jù)采集方式大都分為兩種,一種是心電圖監(jiān)測,另一種是通過血液的光感反應(yīng)(PPG監(jiān)測)。心電圖監(jiān)測所需的監(jiān)測工具相對比較大,不適合實現(xiàn)家庭實時監(jiān)測[3]。
PPG的監(jiān)測的是通過光感監(jiān)測,利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏和血氧飽和度測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成,通過綁帶或夾子固定在病患的手指、手腕或耳垂上實現(xiàn)測量。當(dāng)光束透過人體外周血管,由于動脈搏動充血,容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變,此時利用皮膚對光的反射或透射來評價皮膚血流灌注度有關(guān)信息的方法,實現(xiàn)血氧飽和度監(jiān)測。血氧飽和度越高,表示新陳代謝也會更好。本系統(tǒng)采用深圳石谷棠科技生產(chǎn)的血氧測量探頭,其接口為串口。
這里采用MPU6050六軸傳感器主要是為了實時地檢測人體活動狀況。芯片內(nèi)部集成了一個三軸MEMS(微機電系統(tǒng))陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計,以及用于數(shù)據(jù)輸出的I2C總線。加速度(Acceleration,ACC)信號一方面可以感知人體動態(tài)動作和行為隨時間變化的速度及空間軌跡信息;另一方面也可以獲取人體靜態(tài)行為和動作相對于參考平面的角度傾斜信息。因此,可以利用MPU6050傳感器進行人體動作和行為的感知和識別。CPU要獲取人體運動狀態(tài)信息時,首先啟動I2C總線和初始化MPU6050后,才能獲取MPU6050監(jiān)測人的起居轉(zhuǎn)移狀態(tài)。其單元接口電路如圖3所示。
圖3 六軸傳感器采集單元接口設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括SIM868模塊工作模式(GPS與GPRS數(shù)據(jù)獲取與傳輸交換)、血氧飽和度、六軸加速度等功能模塊設(shè)計。這里著重討論六軸加速度在跌倒檢測方面的軟件設(shè)計。
經(jīng)過實驗分析,檢測當(dāng)前合成加速度是否大于閾值2.5 g,若小于2.5 g,則返回繼續(xù)采樣測量;若大于2.5 g,則認(rèn)為疑似跌倒;若檢測到疑似跌倒,延時3s,進入二次判斷,檢測人體角度是否在閾值范圍內(nèi)。若在這個范圍持續(xù)保持在3s以內(nèi),則可以判定為老人跌倒。此時打開GPS定位信息,將報警信號通過SIM868模塊發(fā)出。
系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計完成后,關(guān)鍵問題是測量數(shù)據(jù)的精確度。人體檢測時,手指插入探頭到數(shù)據(jù)正確上傳的時間間隔約10s,手指拔出探頭到血氧數(shù)據(jù)消失時間間隔約5s。表1和表2為血氧模塊精確度和弱灌注檢測時的測試數(shù)據(jù)。
表1 血氧模塊精確度(心率80,脈搏強度選擇2.5%)
表2 弱灌注檢測(采用95%血氧值,脈率80)
通過兩組測量數(shù)據(jù)可以看出,脈搏強度為2.50%的時候,模塊測量血氧與脈搏的精確度為100%??墒请S著脈搏強度的減小,血氧的測量出現(xiàn)了偏差,而脈搏的精確度仍然是100%。脈搏強度減小到0.10%時,血氧與脈搏都無法檢測出來了。而這個精確度已經(jīng)符合家用醫(yī)療儀器的標(biāo)準(zhǔn),同時也符合我們設(shè)計的要求。
本系統(tǒng)將慢性疾病患者日常脈氧監(jiān)護與日常行為監(jiān)測、異常預(yù)警定位和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等功能集于一體,致力于解決社會居家養(yǎng)老問題,方便家人與醫(yī)護人員對異常情況快速的響應(yīng)。實驗結(jié)果顯示,該裝置操作方式簡單,運用成本低,對于脈氧測量精度與跌倒事件的判斷具有較高的準(zhǔn)確性,為慢性病人及時救治提供了技術(shù)支持。