吳全玉 賈恩祥 戴飛杰 張文悉 王燁 劉曉杰

摘? ? 要：心率、血氧和體溫都是人體重要的生理信息，設(shè)計(jì)出體積小和便攜式的系統(tǒng)測(cè)量裝置，將會(huì)有較大的社會(huì)和臨床經(jīng)濟(jì)效益。嘗試以STM32F103C8T6為控制器，設(shè)計(jì)一種便攜監(jiān)測(cè)設(shè)備。通過(guò)MAX30102、GY-MCU90615模塊采集心率血氧及體溫?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Android智能機(jī)解析顯示，實(shí)現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：心率血氧檢測(cè); 體溫檢測(cè); STM32F103C8T6; Android;藍(lán)牙通訊

中圖分類號(hào)：R318.04;TN929.53? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2020）04-0053-09

心率和血氧飽和度是人體重要的生理指標(biāo)[1]，反映了人體的健康狀況。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能健康佩戴設(shè)備普及度大幅提升[2-5]。薛俊偉等人設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的可穿戴血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠連續(xù)檢測(cè)人體血氧飽和度和脈率[6]，具有低功耗和可穿戴等特點(diǎn)，但是當(dāng)模擬儀輸出血氧飽和度低于75%時(shí)，設(shè)備的檢測(cè)精度受到影響。張政豐等人針對(duì)現(xiàn)有可穿戴設(shè)備的心率檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同活動(dòng)狀態(tài)下人體的心率變化很大，但是沒有給出相應(yīng)的App程序進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)[7]。徐盼盼等人介紹了一種基于TI公司 AFE4400集成芯片的血氧模擬采集電路，他們的研究主要是簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)、降低了系統(tǒng)功耗和減小了電路尺寸，提高硬件的便攜性，但在整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作開發(fā)方面略顯不足[8]。隨著網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，一些具有檢測(cè)人體生理參數(shù)功能的產(chǎn)品也在向可穿戴和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方向發(fā)展。如小米公司的可穿戴產(chǎn)品“小米手環(huán)”，可以提供高精準(zhǔn)的心率、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè);國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的低成本指夾儀，可以進(jìn)行血氧飽和度和心率的檢測(cè)，并通過(guò)OLED屏顯示數(shù)據(jù)。

筆者設(shè)計(jì)的基于Android系統(tǒng)的心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有便攜、低功耗、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。該系統(tǒng)由硬件端和軟件端兩部分組成。硬件端由傳感器模塊，藍(lán)牙通信模塊，STM32核心電路以及電源穩(wěn)壓電路組成。傳感器模塊由MAX30102心率血氧模塊和GY-MCU90615紅外測(cè)溫模塊組成，它將采集完成的數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至安卓端，解析數(shù)據(jù)并顯示在界面上。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

設(shè)備成品可以幫助用戶隨時(shí)隨地較為準(zhǔn)確地測(cè)量其身體的血氧飽和度、心率等生理指標(biāo)，從而更好地掌握自己的身體狀況。從醫(yī)學(xué)上分析，血氧飽和度和心率兩項(xiàng)生理指標(biāo)作為醫(yī)院診治的重要數(shù)據(jù)，血氧飽和度在95及以上為正常指標(biāo)，心率在每分鐘60～100之間為正常指標(biāo)。當(dāng)用戶在不同時(shí)間段多次測(cè)量結(jié)果均不符合上述兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，表明身體有異樣，建議就醫(yī)詳查。

1? ? 檢測(cè)原理

1.1? 心率血氧檢測(cè)原理

光電容積法作為監(jiān)護(hù)測(cè)量中最常見的手段，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)，其基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的透光率差異來(lái)進(jìn)行心率和血氧飽和度的測(cè)量，所使用的傳感器由光源和光電變換器[9-11]兩部分組成，通過(guò)綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管（一般選用660 nm附近的紅光和940 nm附近的紅外光）[12]。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)造成血容積變化致使透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此，光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。同時(shí)，根據(jù)血氧飽和度（SaO2）的定義，其表達(dá)為：

1.2? ?體溫檢測(cè)原理

紅外測(cè)溫廣泛應(yīng)用于非接觸式溫度測(cè)量設(shè)備[13]，其原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體自身的溫度相對(duì)應(yīng)，根據(jù)所轉(zhuǎn)變的電信號(hào)值來(lái)確定被測(cè)體溫度。

2? ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 信號(hào)采集模塊

如圖3（a），Maxim公司生產(chǎn)的MAX30102是一種高靈敏度血氧和心率生物傳感器[14]。其集成了LED及驅(qū)動(dòng)，光感應(yīng)及AD轉(zhuǎn)換，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，只留有數(shù)字接口，極大地減輕了開發(fā)者的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

如圖3（b），GY-MCU90615是一種低成本紅外溫度模塊，具有低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是通過(guò)單片機(jī)讀取紅外溫度數(shù)據(jù)，串口通信方式輸出。采集模塊的電路連接如圖4所示。

2.2? 藍(lán)牙模塊

HC-05是一款高性能主從一體的藍(lán)牙模塊，可直接作串口使用。實(shí)物與電路連接見圖5。

2.3? 電源電路

在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中，考慮到供電電池的電壓在3.7 V附近，選用TPS7333芯片穩(wěn)壓，該芯片壓差在0.3～0.4 V內(nèi)，較為穩(wěn)定。電源電路見圖6 。

2.4? 主控芯片電路

STM32核心電路主要包括4個(gè)部分：（1） 復(fù)位電路;（2） 晶振電路;（3） 串口下載;（4） I/O口。

STM32外接了兩個(gè)晶振為其內(nèi)部系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。一個(gè)8 M的高速外部時(shí)鐘（HSE），為系統(tǒng)提供較精確的主頻;另一個(gè)是32.768 M的低速外部時(shí)鐘（LSE），用于提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘功能。系統(tǒng)核心板具體原理圖如圖7所示。

3? ?軟件開發(fā)及算法

3.1? ?通信協(xié)議

通信協(xié)議是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素[15]。筆者設(shè)計(jì)的下位機(jī)端需要使用兩個(gè)串口，即 USART1和USART2，一個(gè)中斷端口，兩個(gè)I2C模擬端口。其中，USART1串口連接紅外測(cè)溫模塊，USART2串口連接藍(lán)牙模塊。

MAX30102模塊采用I2C通信協(xié)議，為保證穩(wěn)定性，采用軟件模擬I2C的方式;由圖5，USART2功能引腳PA2（TXD）、PA3（RXD）作為下位機(jī)與上位機(jī)的通信接口，波特率9 600 bps。GY-MCU90615模塊通過(guò)USRAT1串口與STM32通信，固定封包數(shù)9幀，協(xié)議如下。

（1）幀頭：Byte0與Byte1固定幀頭0x5A。

（2）數(shù)據(jù)位：Byte2表示本幀數(shù)據(jù)類型，Byte3表示數(shù)據(jù)量（4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) 2 組為一個(gè)參數(shù)），Byte4 表示目標(biāo)數(shù)據(jù)的高8位，Byte5表示目標(biāo)數(shù)據(jù)的低8位，Byte6表示環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)高8位，Byte7表示環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)低 8位。

（3）幀尾：Byte8范圍在0x00～0xFF是校驗(yàn)和（前面數(shù)據(jù)累加和，僅保留低8位）。

通過(guò)幀頭、幀尾及幀長(zhǎng)來(lái)判斷數(shù)據(jù)的正確性，從正確的幀組數(shù)據(jù)位中提取所需的數(shù)據(jù)并解析，即可完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

3.2? 下位機(jī)固件開發(fā)

主函數(shù)將心率血氧采集和紅外測(cè)溫程序進(jìn)行了整合。主要邏輯：首先讀出串口數(shù)值，判斷串口所發(fā)送的數(shù)據(jù)能正確解析時(shí)，再發(fā)送一條查詢指令;之后，檢查心率血氧檢測(cè)的中斷觸發(fā)情況，若已觸發(fā)中斷，說(shuō)明心率血氧模塊可以正常工作，然后進(jìn)行紅光和紅外光的讀取，每次讀取100組并將其存入數(shù)組，讀取完畢后，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。由于初始階段讀取得值之和不足500組，所以在5 s左右的時(shí)間內(nèi)無(wú)法顯示數(shù)據(jù)，之后正常工作并對(duì)采集的500組數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波。判斷采集的心率和血氧值是否正常，確認(rèn)采集值有效，再進(jìn)行組幀發(fā)送。發(fā)送完成之后，進(jìn)行數(shù)組的數(shù)據(jù)順移，在此過(guò)程中，前面的數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄，永遠(yuǎn)只保存數(shù)組內(nèi)500個(gè)數(shù)據(jù)。

紅外測(cè)溫模塊是通過(guò)串口通信的方式工作，其原理是模塊向設(shè)備發(fā)送指令0xa5+0x15+0xBA，設(shè)備再返回一段數(shù)據(jù)，取其中有效數(shù)據(jù)即可。在此程序中，使用了命令查詢的方法，即每次都需要發(fā)送指令，傳感器才能返回值。

3.3? 算法簡(jiǎn)述

心率血氧檢測(cè)的算法移植自Maxim公司官方庫(kù)。程序中需要用到的主要函數(shù)有：

將讀取到的紅光和紅外光的參數(shù)放入數(shù)組內(nèi)，并將紅光和紅外光的數(shù)組名填進(jìn)對(duì)應(yīng)的數(shù)組參數(shù)名中。參數(shù)*pn_heart_rate和*pn_spo2是輸出結(jié)果的變量。*pn_heart_rate輸出心率，*pn_spo2輸出血氧濃度。*pch_spo2_valid和*pch_hr_valid為判斷采集到的心率和血氧的有效性，如果為1，即表示采集到的對(duì)應(yīng)的參數(shù)有效;如果為0，即表示采集到的數(shù)值誤差過(guò)大，并判定為無(wú)效值。無(wú)效值用-999表示，只輸出有效值。

3.4? 上位機(jī)軟件開發(fā)

上位機(jī)APP采用Android Studio編寫，主要分為藍(lán)牙連接、數(shù)據(jù)處理、UI刷新、曲線圖繪制4個(gè)部分。具體軟件主流程如圖8所示。

藍(lán)牙連接的前提是手機(jī)已經(jīng)與藍(lán)牙模塊配對(duì)成功。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。UI刷新采用handler機(jī)制，handler根據(jù)sendHandlerMessage發(fā)送的msg參數(shù)來(lái)確定刷新UI的哪個(gè)部分。在獲取解析的數(shù)據(jù)后，調(diào)用github組件進(jìn)行曲線圖繪制。

如圖9所示，APP具有主界面（a）以及全部監(jiān)測(cè)（b）和單一監(jiān)測(cè)（c）兩類分頁(yè)面，用于顯示信號(hào)當(dāng)前值及其變化曲線。

4? ?測(cè)試結(jié)果

如圖10所示，測(cè)試條件為室內(nèi)、氣溫26 ℃、測(cè)試者身體狀態(tài)正常（未劇烈運(yùn)動(dòng)），選擇在室內(nèi)采集人體靜態(tài)數(shù)據(jù)[16]的主要原因是噪音、光線等干擾因素較少，更利于提取有效數(shù)據(jù)。

接通設(shè)備電池電源，藍(lán)牙模塊LED常閃，開啟安卓APP進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)藍(lán)牙模塊LED閃頻降低，表明上位機(jī)與下位機(jī)通訊成功。Android端將下位機(jī)采集到的心率、溫度以及血氧濃度值實(shí)時(shí)顯示，并以折線圖的形式表現(xiàn)出來(lái)。由于藍(lán)牙在接收開始數(shù)據(jù)的約前5 s內(nèi)，系統(tǒng)所接收的數(shù)據(jù)不足500組，無(wú)法顯示，等待接收500組數(shù)據(jù)后，UI界面將會(huì)刷新顯示。

5? ?結(jié)語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了基于Android系統(tǒng)的心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在提供一種面向家用等環(huán)境下的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)各項(xiàng)信號(hào)并在Android端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)和變化曲線，具有低成本、易于攜帶[17]、操作簡(jiǎn)單、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

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責(zé)任編輯? ? 張志釗