基于藍牙和智能手機的人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)

周開利　張偉　王旭

摘 要：針對傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護手段難以對患者進行遠程實時監(jiān)護的問題，基于藍牙和智能手機設(shè)計了一種人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過可穿戴智能感知節(jié)點，對患者體溫、脈搏等多種生理參數(shù)進行采集和分析處理，然后以藍牙方式無線傳輸至患者的智能手機，再通過3G將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。通過設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用軟件，監(jiān)護人員使用手機、PC等智能終端即可實現(xiàn)對患者多種生理參數(shù)的遠程無線監(jiān)測、異常情況報警、查詢歷史數(shù)據(jù)等功能，大大提高醫(yī)療監(jiān)護水平。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療監(jiān)護；生理參數(shù)；智能手機；藍牙

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

隨著人類平均年齡的升高和老齡化速度的加快，慢性疾病發(fā)病人數(shù)大量增長，現(xiàn)代醫(yī)療的重心已逐步由原來的治療為主轉(zhuǎn)為預(yù)防、病后監(jiān)護恢復(fù)為主，這就需要對患者在遠離醫(yī)院的家居或者戶外環(huán)境中進行實時監(jiān)護，以便在出現(xiàn)異常情況時能夠得到及時救護和治療，而傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護手段難以滿足這一需求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對患者進行遠程實時監(jiān)護成為可能[1-4]。

遠程監(jiān)護的關(guān)鍵是對患者多種生理參數(shù)的監(jiān)測，在對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，才能采取相應(yīng)的救護與治療措施。本文基于藍牙和智能手機，設(shè)計了一種人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過可穿戴智能感知節(jié)點，對患者體溫、血壓等多種生理參數(shù)進行采集和分析處理，然后以藍牙方式無線傳輸給患者攜帶的智能手機。采集的數(shù)據(jù)通過3G上傳到指定服務(wù)器。監(jiān)護人員可以使用手機或PC客戶端應(yīng)用軟件，從服務(wù)器獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測患者的生理參數(shù)，在患者生理狀況異常時獲得報警信號，查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)的歷史記錄等[5-7]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由智能感知模塊、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護終端三部分組成。

（1）智能感知模塊：由n個感知節(jié)點和智能手機組成。各感知節(jié)點設(shè)置成從節(jié)點，患者智能終端（手機）采用輪詢的方式，獲取從各感知節(jié)點采集的多種人體生理參數(shù)，再傳輸給服務(wù)器。

（2）傳輸網(wǎng)絡(luò)：患者智能終端通過3G接入Internet將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，監(jiān)護人員可以使用智能終端設(shè)備（智能手機、筆記本電腦、PC等），通過3G、LAN、WiFi等多種方式上網(wǎng)，獲取存儲在服務(wù)器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（3）監(jiān)護終端：監(jiān)護終端可以是智能手機、筆記本電腦、PC等智能終端設(shè)備，通過設(shè)計相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序，獲取和利用患者生理參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 智能感知模塊設(shè)計

本系統(tǒng)的關(guān)鍵在于可穿戴智能感知節(jié)點的設(shè)計，在硬件設(shè)計方面需要合理選用各種器件、精心設(shè)計PCB，以滿足體積小、重量輕、能耗低、精度高、易穿戴等基本設(shè)計要求。除此之外，在軟件方面需要研究數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化算法，以進一步降低能耗、提高采集數(shù)據(jù)的精度。

2.1 傳感器與佩戴方式選擇

根據(jù)患者需要監(jiān)護的生理參數(shù)，可以選擇脈搏、心電、體溫、呼吸、血壓、血氧、血糖等多種傳感器，針對不同傳感器測量的要求，確定不同的佩戴方式。目前，實時移動檢測血壓、血糖等生理參數(shù)的傳感器尚不成熟，本文僅以脈搏、體溫、心電檢測為例進行設(shè)計。

（1）脈搏傳感器

脈搏采集選用CJMCU-pulse sensor傳感器，該傳感器采用光電容積法——利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同來進行脈搏測量，它只有電源、地和信號三根引線，體積超小，可以采用圖2（a）所示方法，將脈搏傳感器用綁帶纏繞在手指上（或設(shè)計成指套），三根導(dǎo)線連接在智能感知模塊的主板上，主板可以與手環(huán)設(shè)計于一體進行佩戴。

（2）體溫傳感器

體溫采集選用ZMD TSic506F單線數(shù)字高精度溫度傳感器，該傳感器測溫范圍為-10°C～60°C，分辨率為0.1°C，在40°C范圍內(nèi)精度為±0.1°C，滿足人體體溫測量的需要。它也有電源、地和信號三根引線，體積超小，可以將溫度傳感器與體溫感知節(jié)點進行一體化設(shè)計，采用圖2（b）所示方法，將體溫感知節(jié)點做成臂帶纏繞在手臂上，使溫度傳感器置于腋下，進行體溫的精確測量。

（3）心電傳感器

心電采集選用BMD101微型心電傳感器，該傳感器可使用兩個金屬干性電極直接進行心電信號采集，僅有電源、地和兩個電極四根引線，具有藍牙傳輸功能，采用圖2（c）所示佩戴方式，將兩個電極和主板安裝于胸帶的合適位置，使用時收緊胸帶，使兩個電極能夠很好地接觸皮膚。

（a）脈搏感知節(jié)點 （b）體溫感知節(jié)點 （c）心電感知節(jié)點

及佩戴方式 及佩戴方式 及佩戴方式

圖2 智能感知節(jié)點及佩戴方式

2.2 感知節(jié)點硬件設(shè)計

感知節(jié)點組成框圖如圖3所示，由生理參數(shù)傳感器、單片機和藍牙模塊組成，其中，藍牙模塊需要設(shè)置成從模塊。

以脈搏智能感知節(jié)點為例，其硬件電路如圖4所示。脈搏傳感器CJMCU-pulse sensor的信號線直接連接到單片機的IO口（P1.0）。

單片機型號為STC12C5A60S2，是感知節(jié)點的主控芯片，選用LQFP44封裝以減小體積。STC12C5A60S2是單時鐘/機器周期的單片機，具有高速、低功耗、超抗干擾的優(yōu)勢，包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊，幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，滿足智能感知節(jié)點的設(shè)計要求。

圖3 感知節(jié)點組成框圖

藍牙模塊采用智能無線數(shù)據(jù)傳輸BLK-MD-HC-05模塊，該模塊采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點。

2.3 感知節(jié)點軟件設(shè)計

感知節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。上電工作后，先進行初始化，將感知節(jié)點設(shè)置為從節(jié)點，設(shè)置感知節(jié)點名稱、密碼、波特率等，然后實時采集所監(jiān)測的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，按一定算法處理后進行存儲，當接到患者智能手機的連接請求后，將所存儲數(shù)據(jù)傳輸給手機，傳輸完畢后關(guān)閉與手機的連接，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，進行處理和存儲，等待下一次手機的連接請求。

3 患者智能終端軟件設(shè)計

患者智能終端負責接收各感知節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并負責將它們上傳到服務(wù)器，其程序流程圖如圖6所示。應(yīng)用程序啟動后，首先連接第一個從節(jié)點，接收其采集數(shù)據(jù)并存儲；然后，關(guān)閉該節(jié)點，連接下一個從節(jié)點，接收下一個從節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并存儲，直至所有感知節(jié)點都被輪詢一次后，將本輪獲取的各感知節(jié)點數(shù)據(jù)一起傳輸給服務(wù)器，然后進行下一輪數(shù)據(jù)傳輸。每一輪中，若所有節(jié)點連接不上，則提示用戶開啟各從節(jié)點，重新連接或退出程序。

4 應(yīng)用軟件設(shè)計

限于篇幅，本文重點討論多生理參數(shù)的采集與傳輸問題，但為了驗證采集數(shù)據(jù)的有效性，針對監(jiān)護人員手持智能終端進行簡單應(yīng)用軟件的設(shè)計，其功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖5 感知節(jié)點程序流程圖 圖6 患者智能終端程序流程圖

用戶進入實時監(jiān)測模塊時，各感知節(jié)點采集的體溫、脈搏數(shù)據(jù)等通過患者智能手機傳輸?shù)椒?wù)器，通過服務(wù)器實時轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護人員手機進行顯示，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測，同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。當用戶進入歷史記錄模塊時，可以輸入查詢的起止時間，對采集的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，也可以對指定時間段的歷史數(shù)據(jù)進行刪除。

監(jiān)護人員智能終端實時監(jiān)測界面如圖8所示。

圖7 監(jiān)護智能終端功能結(jié)構(gòu)圖 圖8 智能終端實時監(jiān)測界面

5 結(jié) 語

本文介紹了基于藍牙和智能手機的人體多生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，系統(tǒng)以穿戴式生理參數(shù)智能感知節(jié)點和手持智能終端為核心，可以很方便地對人體多生理參數(shù)進行實時遠程監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以上傳至服務(wù)器，通過設(shè)計相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)成遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，可大大提高醫(yī)護效率，降低醫(yī)療費用。

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