唐宇龍，張正國(guó)，鄧宇奇，楊保友

（安徽新華學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽合肥，230000）

0 引言

傳染病一直都是人類害怕的天災(zāi)之一，就新冠肺炎而言，2020 年春節(jié)期間，國(guó)家急缺醫(yī)護(hù)人員，與此同時(shí)大量的醫(yī)護(hù)人員也在透支著生命參與抗擊疫情，國(guó)家也花費(fèi)了大量的資金來保障人民的生命安全。臨床監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)于重癥患者的體征的監(jiān)測(cè)，盡量的避免醫(yī)護(hù)人員直接與患者的直接接觸，大大保護(hù)了醫(yī)護(hù)人員的生命安全。并且相對(duì)于傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備，臨床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。

1 裝置的組成

該系統(tǒng)主要針對(duì)傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，結(jié)合了攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的工作原理。系統(tǒng)選用STM32F103ZET6 單片機(jī)，人體心跳測(cè)量模塊，人體溫度測(cè)量模塊，OPENMV 視覺識(shí)別模塊。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)選擇OPENMV 視覺識(shí)別模塊與STM32F103 單片機(jī)相結(jié)合解決了人臉識(shí)別跟蹤問題，添加了IMU 姿態(tài)模塊，可以時(shí)時(shí)刻刻的記錄病人的姿態(tài)，便于醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行后續(xù)治療，整個(gè)裝置還搭載著人體心跳測(cè)量模塊以及人體體溫測(cè)量模塊用來記錄病人當(dāng)前的體征。與此同時(shí)裝置也會(huì)隨時(shí)將所接收的信息發(fā)送給上位機(jī)讓醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)得到病人的信息，該作品在使用時(shí)不僅很大程度縮小了疫情下醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，還大量減少了的當(dāng)疫情來臨時(shí)所需要準(zhǔn)備的抗疫資金。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)選用，包含了OV7725 感光元件和STM32743單片機(jī)的OPENMV 視覺識(shí)別模塊[1]、擁有72MHz 原生主頻，ARM-Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103ZET6 單片機(jī)、人體心跳測(cè)量模塊、人體體溫測(cè)量模塊、二自由度云臺(tái)、IMU模塊、電源模塊、無線收發(fā)模塊、WIFI 模塊。系統(tǒng)的原理如圖2 所示，該系統(tǒng)選用了OPENMV 攝像頭模塊通過控制二自由度云臺(tái)來實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的識(shí)別以及實(shí)時(shí)的跟蹤，并且時(shí)時(shí)刻刻將所接受的信息發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)。系統(tǒng)利用體溫測(cè)量模塊和心跳測(cè)量模塊來檢測(cè)人體的心跳數(shù)據(jù)以及體溫?cái)?shù)據(jù)，在將所接受體溫?cái)?shù)據(jù)和心跳數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)。IMU 模塊將會(huì)對(duì)病人的當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行分析得出數(shù)據(jù)，并將所得數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6單片機(jī)。STM32F103ZET6 單片機(jī)會(huì)將所有所接受的數(shù)據(jù)融合分析后，在通過無線收發(fā)模塊發(fā)送給上位機(jī)。

圖2 裝置原理圖

2 人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

OPENMV 視覺識(shí)別模塊識(shí)別到人臉系統(tǒng)開始運(yùn)行，OPENMV 視覺識(shí)別模塊首先需要通過image.HaarCascade函數(shù)錄入需要被監(jiān)測(cè)人的人臉特征信息，之后利用img.find_features 來根據(jù)錄入的特征信息來辨別人臉，由于需要保證人臉的信息可以被OPENMV 視覺識(shí)別模塊精準(zhǔn)的讀取，所以當(dāng)人臉被成功識(shí)別之后，OPENMV 視覺模塊會(huì)通過PID 算法來控制二自由度云臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可以對(duì)人臉的準(zhǔn)確跟蹤。當(dāng)OPENMV 視覺識(shí)別模塊采集到人臉信息時(shí)，OPENMV 視覺識(shí)別模塊會(huì)通過串口通信發(fā)送信息讓STM32F103ZET6 單片機(jī)工作，同時(shí)也會(huì)通過ATWINC1500模塊與上位機(jī)進(jìn)行WIFI 通信并將所監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)畫面發(fā)送給上位機(jī)，從而讓醫(yī)護(hù)人員了解到當(dāng)前病人的表情，以便于醫(yī)護(hù)人員對(duì)病人的觀察。

3 人體姿態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

IMU 模塊由功耗小、體積小、成本低的BMP085 氣壓傳感器模塊、MPU6050 運(yùn)動(dòng)組件模塊、HMC5883L 磁阻傳感器模塊組成如圖3 所示。當(dāng)病人躺在病床上時(shí)，將IMU 模塊放置于人體腰部，當(dāng)STM32F103ZET6 單片機(jī)發(fā)送工作命令時(shí)，IMU 模塊開始工作，IMU 模塊會(huì)利用基于PI 調(diào)節(jié)和互補(bǔ)濾波[2]的人體姿態(tài)角算法，記錄病人的在病床上時(shí)的動(dòng)作。并將其記錄下來，通過I2C 通信發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)。STM32F103ZET6 單片機(jī)再將IMU 所記錄的數(shù)據(jù)通過NRF24l01 無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，從而記錄病人的姿態(tài)。程序流程圖如圖4 所示。

圖3 IMU 模塊

圖4 IMU 程序流程圖

4 人體體溫心跳測(cè)量系統(tǒng)

人體體溫心跳測(cè)量系統(tǒng)由人體心跳測(cè)量模塊和人體體溫測(cè)量模塊組成，當(dāng)開始工作時(shí)完對(duì)病人身體狀況的分析。

■4.1 人體心跳測(cè)量

心電測(cè)量選用的ADS1292 模塊，是采用德州儀器（TI）的ADS1292R 芯片設(shè)計(jì)的，是多通道同步采樣24 位Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有內(nèi)置可編程增益放大器(PGA)、內(nèi)部基準(zhǔn)與板載振蕩器，低功耗，成本低，使用方便。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，將采集到的心跳數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)，在采集心電信號(hào)期間，會(huì)受到多種噪音干擾，可以使用卡爾曼濾波算法[3]對(duì)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，從而使所測(cè)得數(shù)值的誤差大大降低。

■4.2 人體體溫測(cè)量

體溫測(cè)量模塊選用LMT70 模擬溫度傳感器，LMT70 是一款帶有輸出使能引腳的超小型、高精度、低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 模擬溫度傳感器。它幾乎適用于所有高精度、低功耗的經(jīng)濟(jì)高效型溫度感測(cè)應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)STM32F103ZET6 單片機(jī)發(fā)送工作指令，體溫測(cè)量模塊將所測(cè)得體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)。由于LMT70 輸出使能引腳允許使用多個(gè)LMT70 共享1 個(gè)ADC 通道，從而簡(jiǎn)化ADC 校準(zhǔn)，所以大大降低了精密溫度感測(cè)所需要的系統(tǒng)總成本。

5 系統(tǒng)測(cè)試

當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，系統(tǒng)準(zhǔn)備工作，OPENMV 視覺識(shí)別模塊讀取預(yù)先錄入的人臉特征信息，檢測(cè)到預(yù)先錄入的人臉特征信息以后，OPENMV 視覺識(shí)別模塊開始工作，通過串口通信發(fā)送工作指令至STM32F103ZET6 單片機(jī)，通過控制二自由度云臺(tái)將所追蹤到的病人面部圖像通過ATWINC1500模塊WIFI 通信發(fā)送給上位機(jī)，從而讓醫(yī)護(hù)人員得到病人的面部信息。得到OPENMV 視覺識(shí)別模塊通過串口通信發(fā)送的工作指令后，STM32F103ZET6 單片機(jī)開始工作，STM32F103ZET6 單片機(jī)開始工作后首先控制IMU 模塊工作，IMU 模塊開始工作，IMU 模塊工作后識(shí)別到病人的姿態(tài)數(shù)據(jù)并且及時(shí)將病人的姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6單片機(jī)，STM32F103ZET6 單片機(jī)接收到病人的姿態(tài)數(shù)據(jù)后在通過NRF24l01 無線收發(fā)模塊將病人姿態(tài)信息發(fā)送至上位機(jī)。完成姿態(tài)信息分析后，STM32F103ZET6 單片機(jī)開始控制ADS1292 心跳測(cè)量模塊工作，STM32F103ZET6 單片機(jī)向心跳測(cè)量模塊發(fā)送工作指令，ADS1292 心跳測(cè)量模塊得到STM32F103ZET6 單片機(jī)發(fā)送的工作指令后開始工作，開始采取病人的心跳數(shù)據(jù)，并且將采取到的病人心跳數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)，STM32F103ZET6 單片機(jī)接收到病人心數(shù)據(jù)后，通過NRF24l01 無線收發(fā)模塊模塊將病人心跳數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。完成心跳信息采集后，最后STM32F103ZET6 單片機(jī)控制LMT70 體溫測(cè)量模塊開始工作，LMT70 體溫測(cè)量模塊接收到STM32F103ZET6 單片機(jī)發(fā)送的工作指令后開始工作，開始采集病人的體溫?cái)?shù)據(jù)，并且將病人的體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給STM32F103ZET6 單片機(jī)，STM32F103ZET6 單片機(jī)接收到病人的體溫?cái)?shù)據(jù)后，通過NRF24l01 無線收發(fā)模塊模塊將病人體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。系統(tǒng)會(huì)一直重復(fù)操作，時(shí)刻向上位機(jī)發(fā)送病人的數(shù)據(jù)，直至病人脫離OPENMV 視覺識(shí)別模塊識(shí)別范圍。在系統(tǒng)工作時(shí)，醫(yī)護(hù)人員可以從從上位機(jī)上得到病人的面部、姿態(tài)、心跳體溫?cái)?shù)據(jù)。從而實(shí)行整個(gè)系統(tǒng)的工作，如圖5 所示。

圖5 臨床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理圖

6 結(jié)論

臨床監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集節(jié)能、高效、智能等優(yōu)點(diǎn)于一體，并且大大的減輕了醫(yī)護(hù)人員特殊情況期間的工作壓力，與此同時(shí)也減輕了國(guó)家特殊情況時(shí)的資金壓力。使其具有了一定的研究意義和實(shí)用價(jià)值。基于嵌入式技術(shù)對(duì)系統(tǒng)工作原理，結(jié)構(gòu)組成、硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)做了詳細(xì)的分析，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有節(jié)能、高效、智能等特點(diǎn)。