朱一鳴

（山東省臨沂第一中學(xué)，山東 臨沂276000）

創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了體溫、血氧濃度和心率等人體生命體征參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、遠(yuǎn)程查看、分析等功能。

（2）本系統(tǒng)可以作為個(gè)人醫(yī)護(hù)設(shè)備，成本低廉、便于攜帶。

（3）本系統(tǒng)可以長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行健康分析，溫度超標(biāo)后，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。

1 項(xiàng)目調(diào)研

當(dāng)今世界科技高速發(fā)展，人們對(duì)生命和健康的追求越來(lái)越重視。家庭醫(yī)療保健設(shè)備層出不窮，越來(lái)越多的家庭也關(guān)注自身的醫(yī)療防范，比如心腦血管疾病的預(yù)防監(jiān)測(cè)，怎么有效地防治這類(lèi)疾病，逐漸全社會(huì)面臨的一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題，于是想設(shè)計(jì)一款成本低廉、便于攜帶的無(wú)線生命體征監(jiān)測(cè)設(shè)備。

2 作品功能

本設(shè)備是一個(gè)能夠檢測(cè)和監(jiān)測(cè)人體健康參數(shù)（體溫、血氧濃度和心率）的健康保健設(shè)備。用戶(hù)連接好設(shè)備后，通過(guò)上位機(jī)可以直觀看到體溫、血氧濃度和心率的波形圖，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數(shù)據(jù)，并且支持在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集并且記錄數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)出PDF 到PC。在PDF 中，用戶(hù)可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態(tài)。如果體溫發(fā)生異常，則蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，并且遠(yuǎn)程報(bào)警器也發(fā)生報(bào)警，以告知監(jiān)護(hù)人。

3 方案設(shè)計(jì)

本設(shè)備下位機(jī)采集設(shè)備使用血氧濃度和心率可穿戴傳感器、體溫傳感器，STM32 單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，采取ZigBee 無(wú)線連接遠(yuǎn)程報(bào)警端。設(shè)計(jì)基于ZigBee 的無(wú)線串口采集生命體征數(shù)據(jù)，使用C 語(yǔ)言對(duì)采集器進(jìn)行變成，使用Arduino 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程報(bào)警端，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)值采集端和遠(yuǎn)程端均報(bào)警。使用Java 程序編寫(xiě)上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數(shù)據(jù)，并且支持在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集并且記錄數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)出PDF 到PC。在PDF 中，用戶(hù)可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態(tài)。硬件端分別為無(wú)限串口、遠(yuǎn)程報(bào)警端和采集端。

4 硬件分析

4.1 STM32 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板

用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)作品的調(diào)控和功能的實(shí)現(xiàn), 主控芯片使用了STM32 主控芯片,并結(jié)合紅外無(wú)線遙控，可以控制任何功能。

經(jīng)過(guò)與其他系列型號(hào)的單片機(jī)芯片相比較，最后決定采用STM32F103 系列主控芯片，STM32 是32 位單片機(jī)，一次處理數(shù)據(jù)寬度32 位，而51 只能處理8 位數(shù)據(jù)；STM32 的內(nèi)部RAM 和ROM（flash）都比51 大得多，STM32F103 有64kRAM，512kROM，外設(shè)也比較豐富，定時(shí)器多達(dá)14 個(gè)，PWM 功能強(qiáng)大，其ADC精度也達(dá)到12 位，外部接口豐富，可以添加各種外部設(shè)備達(dá)到別的功能。性能穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)因內(nèi)部問(wèn)題而造成的輸出不穩(wěn)定。

4.2 MAX30102：血氧濃度&心率傳感器

Maxim 公司的MAX30102 是高靈敏度血氧和心率生物傳感器，包括內(nèi)部的LED，光電檢測(cè)器，光學(xué)元件，以及環(huán)境光抑制的低噪音電子學(xué)。單個(gè)1.8V 電源，內(nèi)部LED 電源5.0V，通信通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的I2C 接口進(jìn)行，工作溫度-40℃到+85℃，微細(xì)5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 14 引腳封裝，主要用在可穿戴設(shè)備以及健美輔助設(shè)備。

4.3 MAX30205:體溫傳感器

MAX30205 體溫傳感器評(píng)估套件用于快速、方便地評(píng)估MAX30205 傳感器。該傳感器采用了高分辨率Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可精確測(cè)量體溫并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。高精度和低電壓操作有助于幫助設(shè)計(jì)人員滿(mǎn)足出錯(cuò)和電力預(yù)算，主要特征為精確0.1℃精度（37℃至39℃），16 位（0.00390625℃）溫度分辨率，2.7V 至3.3V 電源電壓范圍，單次和關(guān)斷模式有助于降低用電量，600μA（典型值）工作供電電流。

4.4 Zigbee

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee 技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱(chēng)（又稱(chēng)紫蜂協(xié)議）來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee 就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee 是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee 協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4.5 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車(chē)電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類(lèi)型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。

5 軟件分析

5.1 采集器程序設(shè)計(jì)

編程語(yǔ)言:C

IDE:Keil5 for ARM

編寫(xiě)環(huán)境:Windows10 64bit

5.2 報(bào)警器

編程語(yǔ)言:C++

IDE:Arduino

編寫(xiě)環(huán)境:Windows10 64bit

5.3 上位機(jī)

編程語(yǔ)言:JavaFX

IDE:IDEA

編寫(xiě)環(huán)境:Windows10 64bit

6 成果的測(cè)試與使用

連接好設(shè)備后，通過(guò)上位機(jī)可以直觀看到體溫、血氧濃度和心率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形圖，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數(shù)據(jù)，并且支持在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集并且記錄數(shù)據(jù)，最后導(dǎo)出PDF 到PC。在PDF 中，用戶(hù)可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態(tài)。如果體溫發(fā)生異常，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為超過(guò)28 度則蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，并且遠(yuǎn)程報(bào)警器也發(fā)生報(bào)警，做到了全方位防范。

7 作品主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

7.1 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了體溫、血氧濃度和心率等人體生命體征參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、遠(yuǎn)程查看、分析等功能。

7.2 本系統(tǒng)可以作為個(gè)人醫(yī)護(hù)設(shè)備，成本低廉、便于攜帶

7.3 本系統(tǒng)可以長(zhǎng)期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行健康分析，溫度超標(biāo)后，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警。

8 下一步設(shè)想

將其設(shè)計(jì)為可穿戴式設(shè)備，增加脈搏、心跳等傳感器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更多，實(shí)用性更強(qiáng)。

9 致謝

在本作品的研究開(kāi)發(fā)與修正過(guò)程中，得到科技教師的幫助，謹(jǐn)致謝意。