基于Pulse Sensor的體征參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)人體體征參數(shù)的高精度測量，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android平臺(tái)、光電反射式脈搏傳感器Pulse Sensor、NTC溫度傳感器以及Wi-Fi通信電路的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。采用MSP430G2553單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，將采集的脈搏、體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給MSP430G2553單片機(jī)的ADC進(jìn)行處理，并通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綄Ｓ玫腁ndroid APP上顯示和分析，如果超出設(shè)置的正常范圍將通過GSM網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送報(bào)警短信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)脈搏測量誤差在2BPM以內(nèi)，體溫測量誤差在0.1度以內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)了測量結(jié)果的無線傳輸和報(bào)警功能，在醫(yī)療監(jiān)控領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Android APP Pulse Sensor MSP430G2553 Wi-Fi GSM網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0090-03

Abstract： Awireless medical monitoring system，basedon theinternet of things Android platform， photoelectric reflecting pulse sensor， NTC temperature sensor and Wi-Fi communication circuit， is designed and implemented to realize high accuracy measurement of life sign parameters. MSP430G2553 is used as the master chip. Pulse and temperature collection can be transported by MSP430G2553 ADC. Also the data would be real-time transported to private Android APP for displaying and analyzing. Alarm messages would be sent to guardian while sign parameters have exceeded normal range. The Experimental results show that pulse measurement error is less than 2 BPM； temperature measurement error is less than 0.1 degree. The system makes wireless transmission and alarming possible， which has great application prospects in medical monitoring.

Key Words： Android APP； Pulse Sensor；MSP430；Bluetooth communication； GSM network

現(xiàn)如今人們越來越關(guān)注環(huán)境污染對(duì)人們身體健康的危害，各種霧霾神器熱售，人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高使得對(duì)自身健康狀況越來越關(guān)注。脈搏和體溫是監(jiān)控人體健康的重要參數(shù)，因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款可以對(duì)人體健康相關(guān)的體征參數(shù)--脈搏及體溫進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體健康體征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，對(duì)人體的體征參數(shù)監(jiān)護(hù)具有重要意義。

1 光電反射式脈搏傳感器

PulseSensor是一種光電反射式脈搏檢測傳感器，由光源和光電變換器兩部分組成，采用光電容積法，即血管搏動(dòng)時(shí)人體組織透光率的不同[1]。將傳感器放置于指端，即光源照射指端，光束的透光率會(huì)隨著動(dòng)脈搏充血容積變化而改變，由光電變換器接收經(jīng)反射光并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)光源的波長λ，光強(qiáng)為I0，根據(jù)Lambert-Beer定律，照射于指端時(shí)的透射光強(qiáng)I可表示為：

式中，指端組織被分為三種成分：動(dòng)脈血液中的氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白以及皮膚、肌肉、靜脈血等組織，三者等效濃度為CHbO2、CRHb、C0，三者吸光系數(shù)εHbO2、εRHb、ε0，固定波長的光源吸收系數(shù)為ε，L0為皮膚、肌肉等組織的光程，L為動(dòng)脈血液光程。其中L0、C0及ε為固定值，而血氧濃度的變化會(huì)引起CHbO2、CRHb的變化，因此隨著血氧容積的改變L成脈動(dòng)性變化[4]。確定血氧濃度的重點(diǎn)就是用兩個(gè)方程計(jì)算出CHbO2、CRHb，故需要用兩個(gè)不同波長的發(fā)光管作為光源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及成本因素，選用SMC810和SMC660LED作為光源?；趯?duì)可靠性、靈敏度、雜散電容低等方面的考慮，本設(shè)計(jì)選用環(huán)境光感受器APDS-9008作為光電接收器，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。

傳感器后端還應(yīng)有相應(yīng)的放大電路、信號(hào)分離電路及濾波電路，有效的將兩個(gè)光源疊加在一起的反射信號(hào)進(jìn)行分離、濾波，為A/D轉(zhuǎn)換提供可靠信號(hào)。電路框圖如圖1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)此處放大電路選取INA321放大器，信號(hào)分離器選取CD4066，兩路濾波電路都是由巴特沃斯低通濾波器以及電壓放大器構(gòu)成。傳感器信號(hào)經(jīng)IN321放大后輸出單路混合信號(hào)，再經(jīng)過分離變?yōu)镮d660和Id810兩路信號(hào)，濾波后的Ia660和Ia810送往A/D轉(zhuǎn)換，由MSP430G2553的兩路A/D轉(zhuǎn)換通道接收模擬量數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)將傳感器進(jìn)行了遮光處理，測量脈搏時(shí)只需將傳感器套在手指上，這種測量方式使得測量時(shí)不會(huì)增加人體生理和心理上的不舒適感。

2 熱敏電阻溫度傳感器

本設(shè)計(jì)選用負(fù)溫度系數(shù)NTC環(huán)氧封裝熱敏電阻3K-3950，是電子體溫計(jì)專用的熱敏電阻，具有精度高，反應(yīng)快的特性，25°C時(shí)該熱敏電阻阻值為3KΩ，精度高達(dá)0.16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般1%的熱敏電阻，保證體溫測溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度測量[3]。將熱敏電阻與精度為1%的2.5KΩ的電阻串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)由溫度到阻值再到電壓變換的過程。MSP430G2553的ADC采集TEMP信號(hào)VT，根據(jù)：

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

體征參數(shù)采集下位機(jī)由MSP430G2553單片機(jī)系統(tǒng)，電源電路、脈搏檢測電路、體溫檢測電路和Wifi通信模塊組成。采用Java JDK7編寫Android APP數(shù)據(jù)監(jiān)測上位機(jī)軟件。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

采用混合信號(hào)處理器MSP430G2553作為MCU，是具有精簡指令集（RISC）的16位超低功耗單片機(jī)，多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中[4]，因此在人體體征監(jiān)測儀中能完全發(fā)揮其性能，且體積小，僅有20引腳，內(nèi)部有基本時(shí)鐘、鎖頻環(huán)時(shí)鐘、DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘三種模式，上電復(fù)位后首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU以保證晶振有足夠起振及穩(wěn)定時(shí)間，然后再根據(jù)需要由軟件來配置寄存器確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)對(duì)低功耗的控制要求。片內(nèi)集成了10位精度A/D轉(zhuǎn)換，可進(jìn)行外部8路模擬信號(hào)輸入，采用序列通道多次轉(zhuǎn)換模式，可同時(shí)進(jìn)行脈搏信號(hào)和體溫信號(hào)采集，以實(shí)現(xiàn)更快、更精確的采集，保證后續(xù)計(jì)算脈搏及體溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

由于體征參數(shù)監(jiān)測儀需向上位機(jī)不斷傳送大量的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)，因此選用USR-WIFI232-T進(jìn)行無線傳輸，該模塊的數(shù)據(jù)接口有UART、PWM、GPIO三種方式，本設(shè)計(jì)采用UART方式即上位機(jī)Wi-Fi傳送的數(shù)據(jù)由USR-WIFI232-T模塊接收后會(huì)通過UART轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)，反之單片機(jī)通過UART向USR-WIFI232-T WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)便可以傳送到上位機(jī)中去。因此需要將單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD接到WIFI模塊的數(shù)據(jù)接收引腳RXD，同樣既然是雙線收發(fā)引腳，雙方的另一個(gè)引腳也需要反接，便能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向收發(fā)。

本系統(tǒng)采用外接5V供電，通過AMS1117-3.3V電源管理模塊將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V給MSP430G2553小系統(tǒng)及USR-WIFI232-T模塊供電。系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采用基于開源的Eclipse平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境CCS編寫數(shù)據(jù)采集下位機(jī)MSP430G2553單片機(jī)軟件，主要完成實(shí)時(shí)脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)的采集、處理以及發(fā)送，其軟件流程圖如圖3所示。程序開始時(shí)需要初始化MSP430單片機(jī)UART和ADC，將MSP430單片機(jī)與PulseSensor脈搏傳感器及體溫傳感器的數(shù)據(jù)引腳設(shè)置為ADC中斷模式，之后程序進(jìn)入主循環(huán)中判斷Wi-Fi模塊是否有指令發(fā)送，如檢測到Wi-Fi模塊發(fā)送指令則表示Android APP連接上監(jiān)測儀的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)MSP430G2553單片機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)脈搏傳感器和體溫傳感器采集實(shí)時(shí)的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)，采集完成后判斷數(shù)據(jù)有效便發(fā)送數(shù)據(jù)到Wi-Fi。本設(shè)計(jì)采用Wi-Fi模塊的UART方式，所以需要將Wi-Fi模塊的UART波特率設(shè)置的與MSP430G2553波特率相同，從MSP430單片機(jī)向Wi-Fi模塊發(fā)送過去的數(shù)據(jù)都會(huì)透明的傳輸?shù)紸ndroid APP，因此Wi-Fi模塊完成的功能是有線串口數(shù)據(jù)到Wi-Fi無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，使用TCP通信方式無線傳輸。

3.2.2 AndroidAPP軟件設(shè)計(jì)

Android APP完成MSP430G2553單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收處理和顯示功能。Android APP軟件流程圖如圖3所示。

程序開始時(shí)首先初始化Android APP的UI，該步驟主要是將界面XML文件與Android JAVA代碼文件關(guān)聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)界面與具體功能代碼的獨(dú)立編程。初始化UI步驟完成后根據(jù)用戶輸入的Wi-Fi模塊的IP和端口號(hào)進(jìn)行連接，此處由于Wi-Fi模塊運(yùn)行著一個(gè)TCP服務(wù)器，因此Android APP連接Wi-Fi模塊時(shí)作為一個(gè)TCP客戶端根據(jù)服務(wù)器的IP和監(jiān)聽的端口號(hào)進(jìn)行連接。Android APP連接Wi-Fi模塊成功后發(fā)送查詢脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)的指令給MSP430G2553單片機(jī)，并通知MSP430G2553連接成功，令其采集實(shí)時(shí)的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)送過來。當(dāng)Android APP的TCP客戶端判斷有Wi-Fi模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并進(jìn)行一定的分割后保存在APP上供用戶查詢。接著判斷用戶的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)是否異常，如果異常則即時(shí)在Android APP上進(jìn)行響鈴報(bào)警，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信給監(jiān)護(hù)人。

4 系統(tǒng)測試

體征參數(shù)無線監(jiān)測儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后需要通過系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)來驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，方法是使用本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測儀采集脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)與市場上比較成熟的產(chǎn)品力康PC60NW和醫(yī)用體溫計(jì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)對(duì)比，并將檢測儀與上位機(jī)距離15米。

數(shù)據(jù)對(duì)比表格如表1所示，對(duì)脈搏、體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的體征菜蔬監(jiān)測儀測量的脈搏數(shù)據(jù)與成熟產(chǎn)品的誤差基本維持在2BPM以內(nèi)，體溫?cái)?shù)據(jù)的測量與成熟產(chǎn)品的誤差基本維持在0.1度以內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的人體體征參數(shù)無線監(jiān)測儀，通過Pulse Sensor脈搏傳感器和YSI-400溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的脈搏及體溫兩個(gè)體征數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的Wi-Fi無線收發(fā)，脫離繁瑣的接線，傳輸距離達(dá)到幾十米。Android APP可以永久記錄用戶的脈搏、體溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常可以進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，防止意外發(fā)生。該設(shè)計(jì)檢測精度高、方便攜帶、無線傳輸性能穩(wěn)定，對(duì)家庭、醫(yī)療、老人院等場所有很強(qiáng)的市場應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2016-09-06

作者簡介：王宇（1982—），女，回族，河南南陽人，碩士，講師，研究方向：電子技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)。