基于互聯(lián)網(wǎng)的可穿戴脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

喬自士， 沈亦豪， 高 瞻

(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044)

基于互聯(lián)網(wǎng)的可穿戴脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

喬自士， 沈亦豪， 高 瞻

(重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400044)

設(shè)計了一種可穿戴式的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)，將互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于健康醫(yī)療領(lǐng)域，實現(xiàn)了醫(yī)院對病人遠程實時監(jiān)測的功能。系統(tǒng)具有體積小、便攜、精度高等特點，硬件部分以STM32微處理器為核心，由傳感器模塊、WiFi模塊、電源模塊、控制模塊和自主設(shè)計的網(wǎng)頁界面服務(wù)器組成，實現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)的采集、存儲、發(fā)送、實時監(jiān)測、報警等功能。經(jīng)過測試：系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精確，實用性強。

脈搏檢測； 互聯(lián)網(wǎng)； 可穿戴

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及生物傳感器技術(shù)的進一步發(fā)展，可供病人在醫(yī)院、家庭等環(huán)境中使用的可穿戴健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)已成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點[1～3]。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可穿戴脈搏檢測系統(tǒng)，完成對被病人脈搏跳動情況的實時遠程監(jiān)測。病人只需將脈搏監(jiān)測儀配戴于手指上，脈搏跳動波形即被實時地上傳到服務(wù)器，醫(yī)生和病人均可通過電腦或手機登錄服務(wù)器，查看脈搏情況，同時，服務(wù)器會對脈搏信號異常的病人會發(fā)出報警提示，方便醫(yī)生進行專門的救治工作。經(jīng)過實驗測試：系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、穿戴方便、成本低廉，應(yīng)用前景廣泛等特點。

1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,包括硬件系統(tǒng)和服務(wù)器兩部分。硬件系統(tǒng)主要包括傳感器模塊、WiFi模塊、電源模塊和控制模塊。通過脈搏傳感器測量人體脈搏信號，脈搏信號經(jīng)過濾波、放大再由STM32微處理器進行采樣得到較為精確的人體脈搏信號。采樣處理后的信號通過WiFi的方式傳輸至服務(wù)器。服務(wù)器為利用PHP編程語言編寫的一個脈搏信號實時顯示的網(wǎng)站，可以通過電腦或手機登陸。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)

綜合芯片價格、功耗、功能等各種因素，選擇了STM32F103微控制器，能夠很好地滿足本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,此外，STM32 具有性能穩(wěn)定可靠、低功耗、高性價比的特點，因此,非常適合于數(shù)據(jù)處理量不大，需要對多個外圍設(shè)備進行控制的場合[4]。

STM32F103 微控制器采用3.3 V低電壓供電，工作頻率為72 MHz，工作溫度范圍為-40～105 ℃，且工作電壓極低(2～3.6 V)，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

2.2 脈搏傳感器

傳感器采用光電反射式模擬傳感器，由LED綠光發(fā)射端和光接收器組成。根據(jù)脈搏跳動使得血液濃度不同與綠光的透光性原理，綠光經(jīng)過手指、耳垂等處，從而光接收器采集到脈搏跳動數(shù)據(jù)再經(jīng)濾波放大后輸出模擬電壓信號。

由于人體的脈搏通常為50～200次/min，對應(yīng)的頻率范圍在0.83～3.33 Hz之間，幅度一般在毫伏(mV)級水平，因此經(jīng)過紅外檢測采集并轉(zhuǎn)換得到的電信號頻率非常低。為了仿止信號因外界高頻信號干擾而使檢測結(jié)果有誤，信號必須先進行低通濾波，濾除絕大部分的高頻干擾。在光接收器后使用了運放MCP6001構(gòu)成的放大器，將信號放大了330倍，同時采用分壓電阻器設(shè)置直流偏置電壓為電源電壓的1/2，使放大后的信號能很好地被AD模塊采集[5,6]。

2.3 WiFi模塊[7]

遠程監(jiān)護系統(tǒng)，以無線訪問節(jié)點(access point,AP)作為接入點，將被檢測人員的脈搏數(shù)據(jù)快速上傳至服務(wù)器，實時觀察脈搏情況。系統(tǒng)采用ESP8266WiFi模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 服務(wù)器的搭建

網(wǎng)站的建立包括如下3個步驟：注冊網(wǎng)站域名、開通網(wǎng)站主機、網(wǎng)站域名解析和網(wǎng)站主機綁定。

系統(tǒng)服務(wù)器搭建采用GET方法[8]，GET是HTTP中最原始的請求方式，在網(wǎng)頁中點擊一個超級鏈接或在地址欄輸入一個URL均會發(fā)送一個GET請求。PHP將GET請求封裝在$_GET數(shù)組中，請求的變量名是數(shù)組的下標，若接收上述請求傳遞的兩個變量ID和Password，使用$_GET['id']和$_GET['password']即可。

3.2 網(wǎng)頁設(shè)計

網(wǎng)頁設(shè)計的目即產(chǎn)生網(wǎng)站，終端用戶發(fā)出請求后服務(wù)器通過傳輸特定的網(wǎng)頁向用戶傳輸所需的信息。

網(wǎng)頁設(shè)計采用HTML和PHP結(jié)合的方式，制作靜態(tài)的頁面，并且使用了javascript客戶端描述語言，從而對動態(tài)網(wǎng)頁的內(nèi)容進行改變。充分利用 AJAX 技術(shù)[9]，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時更新與同步，可以在不重新加載整個網(wǎng)頁的情況下，對網(wǎng)頁的某部分元素進行更新。

設(shè)計了監(jiān)護中心的服務(wù)器界面,通過組建的局域網(wǎng)，監(jiān)護中心可根據(jù)監(jiān)護人數(shù)和監(jiān)護方式，修改病床號碼，查看來自不同病床病人的脈搏跳動波形和每分鐘的跳動次數(shù)，并具有數(shù)據(jù)歸檔、信號處理和病案管理的功能。該系統(tǒng)對病人重要生理參數(shù)實施遠程監(jiān)護，在病人病情突然惡化時報警以便醫(yī)護人員提供及時救治。

4 實驗與結(jié)果分析

系統(tǒng)實物如圖2所示。圖中左側(cè)部分為系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)，右側(cè)部分為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。硬件系統(tǒng)尺寸較小，實用性強，可穿戴于手指，對病人的脈搏情況進行檢測。

圖2 系統(tǒng)實物

為了驗證系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)進行了測試。首先，被檢測人員配戴系統(tǒng)，按下電源開關(guān)，可以看到WiFi模式上的紅色指示燈亮，表明WiFi模塊正常工作。當綠色指示燈閃爍一下時，表明數(shù)據(jù)發(fā)送了一次。數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送到指定的網(wǎng)頁服務(wù)器上，通過電腦或者手機登陸網(wǎng)頁，即可實時查看脈搏情況。系統(tǒng)測試效果如圖3所示。脈搏參數(shù)測試如表1所示。

圖3 系統(tǒng)測試效果

通過圖3和表1可以看到，測試的脈搏信號，與正常的脈搏信號基本一致，誤差很小。同時，能夠直接觀察每分鐘的脈搏次數(shù)，當次數(shù)超過一定的閾值時，發(fā)出報警。測量脈搏信息可以長時間保存，登錄網(wǎng)址即可查看脈搏跳動的歷史記錄，有利于疾病的檢測與預(yù)防。

表1 脈搏參數(shù)測試

5 結(jié) 論

提出了一種將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和可穿戴技術(shù)相結(jié)合的脈搏檢測方案，并設(shè)計了一種脈搏檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的STM32單片機強大的處理能力為人體脈搏體征參數(shù)的采集和發(fā)送提供了重要的保證，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠?qū)崟r的將傳感器采集的脈搏參數(shù)傳送到監(jiān)護中心的服務(wù)器。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、穿戴方便，能夠?qū)崿F(xiàn)對病人實時遠程監(jiān)測，為病人下一步的醫(yī)療方案提供了重要支持。

[1] 雷文禮，張 鑫，任新成. 基于WiFi的無線醫(yī)療監(jiān)護儀的研究[J].電子測量技術(shù)，2013，36(11)：115-118.

[2] 郭 維.穿戴式人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué),2012.

[3] 戴 明. 可穿戴遠程健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究及設(shè)計[D]．南昌：南昌航空大學(xué)，2015．

[4] 武利珍．基于 STM32 的便攜式心電圖儀的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009．

[5] 王國力，趙子嬰，白金星.PVDF壓電薄膜脈搏傳感器的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2004(4):688-692.

[6] 羅山鷹，婁文忠.一種用于人體脈搏的信號采集系統(tǒng)[J].兵工自動化，2001，20(2)：57-58.

[7] 周 潔.基于WiFi傳輸與接入技術(shù)的發(fā)展[J].信息通信，2012(2)：115-116.

[8] 林飛龍，彭詩瑤.基于多傳感器的高性能監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(2)：119-126.

[9] 朱俊光，高 健，田 俊，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J]．實驗技術(shù)與管理，2014，31(11)：93-97.

DesignofwearablepulsemonitoringsystembasedonInternet*

QIAO Zi-shi, SHEN Yi-hao, GAO Zhan

(CollegeofCommunicationEngineering，ChongqingUniversity，Chongqing400044,China)

A wearable pulse monitoring system is designed,which applies the Internet in the field of health care to complete the remote and real-time monitoring on hospital patient.Besides,the pulse monitor in this system is small in size,easy to carry and possesses high precision,etc.In the system,the hardware part takes the STM32 microprocessor as the core and it is composed of sensor module,the WiFi module,the power source module,the control module and the server web interface that designed by ourselves to realize the pulse data acquisition,storage,transmission,real-time monitoring,alarm and other functions.After testing,the whole system performance is stable,the measurement is accurate and the practicality is strong.

pulse detection;Internet;wearable

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0102—02

TP 32

A

1000—9787(2017)12—0102—02

2016—11—30

重慶市研究生科研創(chuàng)新資助項目(CYS14025)

喬自士(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。沈亦豪，通訊作者，E—mail: shen@changzhoutech.com。