基于WiFi傳輸?shù)亩鄠鞲衅魅梭w環(huán)境監(jiān)護(hù)設(shè)備設(shè)計

王 暢，孫福明，李 漾

(1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.大連云動力科技有限公司，遼寧 大連 116000)

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計結(jié)果稱：慢性疾病，如慢性呼吸道疾病、糖尿病和癌癥等占所有死亡原因的60%以上[1]。對于醫(yī)護(hù)人員而言，目前對患者體溫等生理參數(shù)通常采用近距離接觸式測量，對于傳染性疾病，容易造成醫(yī)護(hù)人員的感染。所以急需一種新的監(jiān)測方式，不但能減少醫(yī)護(hù)人員受感染的風(fēng)險，還能更快速高效的對病患的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。但是目前大部分監(jiān)測設(shè)備普遍存在以下問題：(1)傳感器集成數(shù)量少碎片化嚴(yán)重、感知參數(shù)單一，不能有效聯(lián)動，造成數(shù)據(jù)以及事件的關(guān)聯(lián)性的喪失；(2)以433 MHz、ZigBee等短距離通訊方式為基礎(chǔ)的很多監(jiān)護(hù)設(shè)備普遍受傳輸距離限制，可靠性低、配置繁瑣；(3)缺乏存儲芯片，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)問題，極易造成數(shù)據(jù)丟失等情況；(4)耗電普遍偏高，采用外部供電，造成安裝和使用具有局限性、不靈活。

本設(shè)計基于以上問題，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于WiFi傳輸?shù)亩鄠鞲衅魅梭w環(huán)境監(jiān)護(hù)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)無限傳感器接入、無線遠(yuǎn)距離傳輸，并且高穩(wěn)定性、存儲能力強(qiáng)的智能監(jiān)測設(shè)備。通過內(nèi)置多傳感器采集病患的日常數(shù)據(jù)以及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過WiFi上傳到數(shù)據(jù)平臺，一旦病患發(fā)生危險及時報警并通知其家人和醫(yī)生，手機(jī)APP端可實時查看病患當(dāng)前身體狀態(tài)、服藥情況以及階段性活動規(guī)律。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

設(shè)備采用TI公司Cortex-M4架構(gòu)的CC3200[2]作為主處理器，配備主處理芯片電路、傳感器單元電路、無線WiFi傳輸電路、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲電路、USB轉(zhuǎn)串口電路、時鐘電路等外圍電路。針對以往相關(guān)研究[3-10]傳感器集成數(shù)量少、感知參數(shù)單一等問題。本設(shè)計集成了包括光照強(qiáng)度、溫度、濕度、磁場、加速度、震動等多個高精度傳感器，同時可選擇性接入外接溫度、PH值、二氧化碳濃度等傳感器，采集多維度的數(shù)據(jù)組合，實現(xiàn)全方位監(jiān)測。

1.1 主處理器及無線WiFi傳輸電路設(shè)計

針對傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)(如藍(lán)牙、ZigBee、UWB、60 GHz 無線通信)所存在的傳輸實時性差、傳輸距離短、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題。本設(shè)計采用無線WiFi超遠(yuǎn)距離傳輸，直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。無感應(yīng)器技術(shù)采用的傳輸總線或ZigBee類似的封閉網(wǎng)絡(luò)，布置方便，使用簡單。在WiFi通信硬件電路設(shè)計過程中摒棄了絕大部分廠家使用的傳統(tǒng)WiFi模塊方式，采用芯片級方案研發(fā)，自主設(shè)計芯片外圍功能電路，確保其高性能，最大程度減小功耗，電路如圖2所示。

圖2 主處理器及無線WiFi傳輸電路圖

主處理器電路主要由應(yīng)用微控制器，WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸電路和電源管理子系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊電路工作狀態(tài)并分配任務(wù)，比如控制傳感器電路采樣頻率、命令WiFi傳輸電路上傳采集數(shù)據(jù)等。

1.2 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

針對傳統(tǒng)感知設(shè)備體積大、高功耗等問題，本設(shè)計采用智能硬件低功耗、高穩(wěn)定性技術(shù)。分別從硬件和軟件兩個方面降低功耗。在硬件設(shè)計中，加入開關(guān)電路的同時對拓?fù)鋵蛹夁M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在A/D采樣電路中，將電路中的分壓電阻通過IO口來控制其接地的方式(本電路A/D采樣電路是集成在圖1芯片內(nèi)部的，通過軟件分配一個IO口接地)，只在需要采樣時接地，采樣完成后即懸浮或拉高。避免了分壓電阻直接接地而造成一直消耗電流的損失，很大程度上降低了功耗。同時，在電源轉(zhuǎn)化電路中盡量避免使用分壓電阻來實現(xiàn)，而選擇較復(fù)雜的整流電路從而降低功耗，具體電路如圖2和圖3所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

電路主芯片采用升壓轉(zhuǎn)換器TPS61025，電路采用獨(dú)特的LDO降壓模式，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓高出2～3 V以上，否則就不能正常工作。但是在一些情況下，這樣的條件太苛刻，如5 V轉(zhuǎn)3.3 V，輸入與輸出的壓差只有1.7 V，顯然是不滿足條件的。相對于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的，LDO降壓模式具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio)[11]，在高性能的同時也降低了成本。

1.3 USB轉(zhuǎn)串口及供電電路設(shè)計

針對傳統(tǒng)的單一供電方式。本設(shè)計采用USB和電池雙模式供電，防止掉電時數(shù)據(jù)的丟失。其中USB供電可通過不同接口可對設(shè)備進(jìn)行供電，例如microusb和 miniUSB。電路采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340，兼容USB V2.0，支持5 V電源電壓和3.3 V電源電壓。并采用N溝道場效應(yīng)晶體管BSS138驅(qū)動導(dǎo)通關(guān)斷，以軟開關(guān)的形式實現(xiàn)電池供電與USB供電的無間斷實時關(guān)斷。具體實施電路如圖3和圖4所示。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

設(shè)備除了無線傳輸方法外，還可直接通過USB端口有線連接到手機(jī)、平板或者電腦上,對設(shè)備直接進(jìn)行配置。支持通過USB串口可以查看到設(shè)備當(dāng)前的WiFi配置信息、存儲數(shù)據(jù)、錯誤報告等信息，還可直接把數(shù)據(jù)從USB串口導(dǎo)入到電腦或手機(jī)中，生成Excel表格存儲到相應(yīng)的路徑。

1.4 存儲電路設(shè)計

目前智能監(jiān)測設(shè)備大都采用網(wǎng)絡(luò)存儲，由于其具有良好的可擴(kuò)展性、開放性和并行性。但同時服務(wù)器中存儲I/O、網(wǎng)絡(luò)I/O以及CPU和內(nèi)存易成為系統(tǒng)瓶頸，難以滿足數(shù)據(jù)的存儲和傳輸?shù)膶崟r需要。針對傳統(tǒng)感知設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重依賴，斷網(wǎng)即斷“電”的問題。本設(shè)計內(nèi)置串行電可擦除只讀存儲器AT24C08與串行閃存不可擦存儲器W25Q128雙存儲芯片，采用雙存儲芯片分類存儲緩存信息與傳感器信息，有效的節(jié)約CPU存儲空間、提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，具體電路如圖5和圖6所示。

圖5 AT24C08存儲電路圖

圖6 W25Q128存儲電路圖

每16 MB空間可以存儲28.5萬條數(shù)據(jù)，可存儲長達(dá)一年以上的傳感器數(shù)據(jù)，即使在無WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況下仍可長時間使用。并采用“邊寫邊發(fā)邊刪”的數(shù)據(jù)存儲方法，當(dāng)設(shè)備讀入數(shù)據(jù)之后，馬上向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)發(fā)送成功，即刻刪除數(shù)據(jù)釋放內(nèi)存，執(zhí)行其他任務(wù)。

1.5 時鐘電路設(shè)計

為了更準(zhǔn)確記錄病人的活動狀態(tài)并追溯異常行為時間。本設(shè)備集成了時鐘芯片，對于每條傳感器數(shù)據(jù)均添加時間戳，上傳和存儲時候都將時間戳和傳感器數(shù)據(jù)同時上傳，有效的可以對每個傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源。時鐘電路主芯片采用是內(nèi)含I2C總線接口功能的多功能時鐘芯片PCF8563。其具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能可以完成各種復(fù)雜的定時服務(wù)，具體時鐘電路如圖7所示。

圖7 時鐘電路圖

設(shè)備時鐘配有遠(yuǎn)程校準(zhǔn)機(jī)制，當(dāng)設(shè)備每次和平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)同步時，時鐘進(jìn)行更新和校準(zhǔn)。當(dāng)無數(shù)據(jù)同步的情況下，時鐘也可以定期與平臺時間進(jìn)行時間同步和校準(zhǔn)，保證時間的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊集成了多個高精度傳感器，其中傳感器是采用任務(wù)的形式添加到程序中，只需創(chuàng)建一個task即可添加一個傳感器，不影響其他任務(wù)，可外接無限傳感器，簡單易操作可復(fù)制性強(qiáng)，具體模塊流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

設(shè)計采用RTOS實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)突發(fā)事件任務(wù)的實時中斷、實時響應(yīng)，鎖定當(dāng)前執(zhí)行程序的同時建立存儲隊列結(jié)構(gòu)體。對系統(tǒng)的指令通過實時操作系統(tǒng)中斷標(biāo)志，在多個Task之間實時切換，不經(jīng)過冗長繁瑣的中間無用程序，直接跳到任務(wù)程序，在較大程度上提高了設(shè)備的靈敏度。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用無線AP模式配置方法對設(shè)備進(jìn)行配置，其支持用戶通過手機(jī)或PC無線配置操作，并通過手機(jī)或PC配置界面查看設(shè)備當(dāng)前的配置信息、傳感器讀取信息、錯誤信息等信息，還可將數(shù)據(jù)直接存入大數(shù)據(jù)平臺，用戶可隨時隨地進(jìn)行查看。具體數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件程序流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)傳輸模塊程序流程圖

此外本設(shè)計在數(shù)據(jù)傳輸過程中加入“看門狗”(用于監(jiān)測單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片)，對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。防止程序跑飛陷入死循環(huán)，造成設(shè)備死機(jī)，發(fā)生不可預(yù)料的后果。

3 試驗與結(jié)果分析

本設(shè)備在錦州市某醫(yī)療中心部分中高齡患者中進(jìn)行試驗，讓每個患者都同時配戴本款智能監(jiān)測設(shè)備以及市場上同類溫濕度檢測儀與跌倒檢測儀，同時在病房的床下、衛(wèi)生間門上、藥瓶上、房間內(nèi)都同步放置。實時獲取患者的體溫狀況、活動狀態(tài)、房間內(nèi)溫濕度、患者半夜的翻身情況、上衛(wèi)生間次數(shù)以及時間長度、是否按時吃藥等數(shù)據(jù)。實驗時間為3個月。

其中選取一位同時患有高血壓、中度糖尿病的60歲老人在24小時內(nèi)的活動數(shù)據(jù)為例，使用智能檢測設(shè)備所監(jiān)測到的部分活動數(shù)據(jù)如表1所示。其中表1可監(jiān)測到的數(shù)據(jù)包括：

(1)老人的實時體溫值、房間內(nèi)溫濕度值(還可根據(jù)需要外接測量環(huán)境PH值、二氧化碳濃度值等)；

(2)根據(jù)老人夜晚的活動加速度值和衛(wèi)生間門磁數(shù)值共同判斷老人晚上上廁所的次數(shù)以及時長；

(3)根據(jù)老人臥室床的加速度數(shù)據(jù)，可以看出老人晚上翻幾次身(翻身的加速度幅值在10～20之間)，進(jìn)而分析睡眠狀況；

(4)根據(jù)老人降壓藥瓶上的加速度數(shù)據(jù)變化時間，可以看出老人是否按時服用藥物；

(5)根據(jù)老人的活動加速度值，計算加速度幅度≤250，沒有出現(xiàn)異常加速度峰值，而是階段性的小幅度波動值。判斷出老人并沒有跌倒或者昏迷。

表1 智能監(jiān)測設(shè)備所測老人在24小時內(nèi)的部分活動數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)(1)可以通過監(jiān)測設(shè)備發(fā)送給病患家屬，便于關(guān)心病人的基本身體狀態(tài)以及生活環(huán)境，及時關(guān)心病人并做好保暖和加濕工作。數(shù)據(jù)(2)～(4)可以通過監(jiān)測設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送給老人的主治醫(yī)生，便于了解老人的睡眠狀況、病情發(fā)展和服藥情況等，還可提醒病人服藥。數(shù)據(jù)(5)可以實時監(jiān)控病人是否跌倒或昏迷，一旦危險發(fā)生，設(shè)備立即報警并通知家人。

使用普通跌倒檢測儀所監(jiān)測到的同一時刻老人活動數(shù)據(jù)如表2所示。如表所示其無法監(jiān)測到老人體溫、室內(nèi)溫濕度以及門磁等信息。需再另外配有溫濕度檢測儀、體溫計、門磁檢測儀才可完成所有數(shù)據(jù)的監(jiān)測，仍舊無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效聯(lián)動性，進(jìn)而實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測老人身體狀態(tài)。

表2 同一時刻跌倒檢測儀所測部分活動數(shù)據(jù)

將本智能監(jiān)測設(shè)備與溫度計、溫濕度檢測儀、跌倒檢測儀、門磁檢測儀所測得數(shù)據(jù)分別進(jìn)行對比。實驗證明：智能監(jiān)測設(shè)備從準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與用戶體驗上都高與其他產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

本文針對病患的日常生活監(jiān)護(hù)需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于WiFi傳輸?shù)亩鄠鞲衅魅梭w環(huán)境監(jiān)護(hù)設(shè)備。試驗證明設(shè)備可以對老人的身體狀況、病情發(fā)展、服藥情況以及周邊環(huán)境實現(xiàn)智能遠(yuǎn)程實時監(jiān)測、存儲、報警等功能。在滿足采樣率和功能使用的同時，最大限度的降低功耗，最低功耗為59 μA，平均待機(jī)功耗約為91.6 μA。相較于以往相關(guān)研究[12-15]，更能滿足現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)測的需要。