基于氣壓傳感器的智能口罩呼吸測(cè)量技術(shù)研究

王 政

（上海圓天電子科技有限公司，上海201821）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平提高，越來越多的人開始關(guān)注健康數(shù)據(jù)的量化和智能管理?？纱┐髟O(shè)備結(jié)合大數(shù)據(jù)進(jìn)行健康管理，成為大健康時(shí)代的黃金組合應(yīng)用模式之一。美國(guó)《連線》雜志創(chuàng)始主編、《失控》的作者凱文·凱利（Kevin Kelly）認(rèn)為，“顛覆性技術(shù)永遠(yuǎn)在發(fā)生，而且是從邊緣性的地方出現(xiàn)的”。而今，傳統(tǒng)的醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)正在被各種新科技顛覆與喚醒，可穿戴設(shè)備可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)監(jiān)控人們的各項(xiàng)健康數(shù)據(jù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行健康管理。如智能手環(huán)、智能手表等設(shè)備大多都具有人體心率、脈搏數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的功能。這些設(shè)備通過BLE連接手機(jī)，通過手機(jī)上的APP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端、已有數(shù)據(jù)本機(jī)存儲(chǔ)和分析結(jié)果顯示等功能。

在各項(xiàng)健康生理數(shù)據(jù)中，呼吸信號(hào)是一類典型的時(shí)間序列信號(hào)，對(duì)呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并挖掘其中的異常呼吸事件，對(duì)人體健康的研究分析和亞健康預(yù)警有著極大的幫助。近年來，隨著防霧霾智能口罩產(chǎn)品技術(shù)和市場(chǎng)的成熟，把氣壓傳感器集成到智能口罩，為監(jiān)測(cè)呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)提供了一種很好的途徑和載體，本文即詳細(xì)說明這種應(yīng)用方案。

1 智能口罩基本結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

圖1所示為智能口罩的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中主要部件包括呼吸傳感器即氣壓傳感器HB203B、渦輪風(fēng)扇、HEPA高效濾網(wǎng)等。

智能口罩的主要功能設(shè)計(jì)如下：

（1）渦輪風(fēng)扇主動(dòng)送風(fēng)+HEPA高效濾網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5顆粒97%的過濾效果；

（2）通過氣壓傳感器監(jiān)測(cè)內(nèi)部壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和風(fēng)量，保證呼吸順暢；

（3）氣壓傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)分析處理得出呼吸頻率、波動(dòng)、暫停等生理數(shù)據(jù)；

（4）BLE通信和微信公眾號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)智能口罩內(nèi)部各項(xiàng)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出[1]。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析

2.1 HB203B簡(jiǎn)介

HP203B是高分辨率（0.1 m）壓力傳感器，其帶有I2C接口，包括一個(gè)硅壓阻壓力元件和一個(gè)高分辨率24位Δ∑ADC。HP203B提供高精度24位壓力和溫度數(shù)字輸出，客戶可根據(jù)應(yīng)用需要轉(zhuǎn)換速度和高度，所有內(nèi)置計(jì)算采用了高速4 MHz的浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算誤差小，數(shù)據(jù)補(bǔ)償是內(nèi)部集成，通信連接非常簡(jiǎn)單，并提供基于壓力、高度及溫度上下限比較的可編程事件及中斷輸出控制。HP203B傳感器是采用不銹鋼蓋子表面封裝并符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，尺寸非常小，僅為3.6 mm×3.8mm，厚度為1.2 mm[2]。

2.2 HP203B應(yīng)用電路

由于HP203B傳感器通過設(shè)計(jì)公司獲得專利的補(bǔ)償算法在傳感器器件片內(nèi)進(jìn)行采樣、信號(hào)處理以及運(yùn)算，最終計(jì)算出實(shí)際的直接結(jié)果值，所以外部應(yīng)用MCU只需發(fā)出信號(hào)采集命令，待完成后，再通過I2C接口直接讀取壓力、溫度及絕對(duì)海拔高度三者的實(shí)際值。圖2所示為HP203B和加速度電路圖。其中ADXL345為三軸加速度傳感器（可選），用于采集用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同智能手環(huán)類似。該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)作為采集和計(jì)算呼吸數(shù)據(jù)的輔助輸入?yún)?shù)。兩個(gè)傳感器都是I2C接口，可以直接接MCU相應(yīng)總線接口。且兩種傳感器靜態(tài)功耗都是μA級(jí)別，再通過軟件合理設(shè)置其工作周期時(shí)間從而降低運(yùn)行功耗，整體功耗完全滿足可穿戴設(shè)備的低功耗要求。

2.3 智能口罩主體電路設(shè)計(jì)

圖2 HP203B和加速度電路圖

智能口罩主體電路包括MCU、一鍵軟開關(guān)、鋰電池充放電、BLE藍(lán)牙通信等電路，如圖3所示。MCU選用STM32位處理器STM32F030C8，其豐富的外設(shè)接口，可以連接不同類型的外設(shè)和傳感，拓展不同的功能；32位和高達(dá)48 MHz的主頻，保證了運(yùn)行一些復(fù)雜算法程序如FFT的執(zhí)行效率[3]；內(nèi)部時(shí)鐘利于整個(gè)電路的緊湊設(shè)計(jì)和EMC性能；不同功耗模式的選擇可以在保證系統(tǒng)電路多種運(yùn)行模式的同時(shí)有效降低整體功耗?？傮w來說，豐富內(nèi)存和外設(shè)、高速運(yùn)算和低功耗的特點(diǎn)非常符合可穿戴智能設(shè)備對(duì)MCU的技術(shù)要求。

3 呼吸數(shù)據(jù)采集處理算法設(shè)計(jì)

3.1 呼吸數(shù)據(jù)基本分析

為了研究呼吸數(shù)據(jù)的處理算法，MCU把采集的HP203B傳感器數(shù)據(jù)先在內(nèi)部RAM暫存，采樣一定數(shù)據(jù)后通過調(diào)試串口或者BLE藍(lán)牙通信把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC，通過PC上強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析和處理，并最終選擇合適的處理算法。

HP203B傳感器壓力數(shù)據(jù)單位為毫巴（mbar）。MCU以2.5 Hz的采樣頻率讀取氣壓傳感器數(shù)值，部分實(shí)際采集數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出智能口罩內(nèi)部氣壓數(shù)據(jù)是一個(gè)典型的時(shí)間序列信號(hào)，時(shí)間單位是0.4 s。

需要注意的是，這個(gè)壓力數(shù)據(jù)是智能口罩內(nèi)部的氣壓數(shù)據(jù)，實(shí)際數(shù)據(jù)不僅根據(jù)呼吸壓力變化，而且隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和風(fēng)量的變化而變化。由于智能口罩風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)頻率較低，因此這種低頻分量也很容易通過高通濾波器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。如圖4所示，氣壓的平均值變化是因?yàn)檎{(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和風(fēng)量使得口罩內(nèi)部氣壓在變化。正常成年人的呼吸頻率通常在12～20次/min范圍內(nèi)，頻率范圍在1 Hz以內(nèi)[4]。從圖4可以看出，原始信號(hào)中有很多高頻信號(hào)，這些高頻率信號(hào)可能是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)或電路噪音引起。為了方便數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理，對(duì)于原始信號(hào)必須進(jìn)行一定的平滑濾波處理。

3.2 呼吸數(shù)據(jù)平滑濾波處理

將所得數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，消除隨機(jī)誤差的影響，提高信噪比，這是平滑濾波處理的根本目的，其最常用、最有效的

圖3 智能口罩主體電路圖

一鍵開關(guān)機(jī)電路通過或非門74V1G02和一個(gè)P Channel MOSFET管設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)短按開機(jī)、長(zhǎng)按關(guān)機(jī)的功能。鋰電池充放電電路選用南京拓維的一款完整的單節(jié)鋰離子電池恒定電流/恒定電壓線性充電器管理IC TP4054，其充電電流可達(dá)500 mA。方法就是最小二乘多項(xiàng)式平滑法（Savitzky-Golay卷積法）。Savitzky-Golay卷積平滑關(guān)鍵在于矩陣算子的求解[5]。

設(shè)濾波窗口的寬度為n=2m+1，各測(cè)量點(diǎn)為xi=（-m，-m+1，…，1，0，1，…，m-1，m），采用k-1次多項(xiàng)式對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合。

表1 智能口罩內(nèi)部氣壓實(shí)際采集數(shù)據(jù)

圖4 氣壓實(shí)際采集數(shù)據(jù)原始信號(hào)圖

平滑公式：

可以看出關(guān)鍵點(diǎn)是求出B。MATLAB函數(shù)B=SGOLYAY（K，F(xiàn)）是用來設(shè)計(jì)計(jì)算Savitzky-Golay平滑濾波器所需的B值，多項(xiàng)式階數(shù)K必須小于數(shù)據(jù)幀大小，F(xiàn)必須是奇數(shù)。經(jīng)過對(duì)比測(cè)試，本文選用窗口寬度7，多項(xiàng)式次數(shù)3，計(jì)算出矩陣如下：

平滑值計(jì)算公式如下：

采集的原始數(shù)據(jù)通過以上計(jì)算公式進(jìn)行平滑處理后得出的數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。

圖5 氣壓實(shí)際采集數(shù)據(jù)平滑處理后信號(hào)圖

3.3 呼吸數(shù)據(jù)結(jié)果分析

經(jīng)過平滑濾波算法處理后數(shù)據(jù)再計(jì)算并標(biāo)記出峰值和谷值，如圖6所示，峰值用“*”標(biāo)出，谷值用“+”標(biāo)出。在120 s的時(shí)間內(nèi)，峰值有33次，谷值有34次，可以判斷出呼吸頻率在16次/min和17次/min變化，正在正常成年人呼吸頻率范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了我們算法的正確性。

圖6 呼吸結(jié)果數(shù)據(jù)標(biāo)記峰谷值圖

呼吸數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間序列信號(hào)，從圖6中可以看出，在0～40 s之間，由于人體活動(dòng)對(duì)呼吸的影響以及口罩內(nèi)部壓力有個(gè)調(diào)整適應(yīng)期，因此呼吸波動(dòng)比較大，相鄰峰谷值的時(shí)間間距比較短。在40 s之后，呼吸數(shù)據(jù)平穩(wěn)均勻，證明口罩內(nèi)部壓力已經(jīng)調(diào)整完成，人體已經(jīng)很好地適應(yīng)了口罩呼吸環(huán)境。

圖7 主程序流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

圖7所示為主程序流程圖。

程序初始化包括MCU的時(shí)鐘、I/O、串口、I2C等的初始化配置，以及藍(lán)牙模塊、HP203B等部件和數(shù)據(jù)的初始化；電池電量監(jiān)控程序監(jiān)控鋰電池電量；BLE藍(lán)牙通信程序處理和微信的藍(lán)牙通信；風(fēng)量控制是根據(jù)氣壓平均值控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，從而保證口罩內(nèi)部的氣壓恒定舒適；一鍵開關(guān)機(jī)負(fù)責(zé)口罩整個(gè)電路的開關(guān)機(jī)功能。

5 結(jié)語(yǔ)

智能口罩是近年來新興起的一種可穿戴智能硬件設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備的一項(xiàng)重要功能就是監(jiān)測(cè)人體各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)，作為健康監(jiān)測(cè)和管理的重要依據(jù)。本文所設(shè)計(jì)的智能口罩在基本的主動(dòng)送風(fēng)式過濾PM2.5顆粒的功能基礎(chǔ)上，通過HP203B氣壓傳感器的引入，不僅實(shí)現(xiàn)了口罩內(nèi)部壓力的調(diào)節(jié)，保證了呼吸的舒適度，同時(shí)通過對(duì)氣壓數(shù)據(jù)的分析和處理，得出與人體呼吸相關(guān)的頻率、波動(dòng)、暫停等數(shù)據(jù)。以上呼吸生理數(shù)據(jù)通過智能口罩內(nèi)置的BLE藍(lán)牙通信和手機(jī)APP同步后，上傳云端，結(jié)合其他可穿戴設(shè)備的健康數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，可以提供比較完整的健康管理研究和應(yīng)用方案。