基于“去中心化”的人體生理參數(shù)檢測儀設計

王忠 孫瑋 胡芳凝 張豪 王騰騰

摘 要：文中提出一種新的模塊化智能檢測儀設計方案。硬件采用核心板加外部擴展模塊的形式，以單片機平臺為主體，擴展組態(tài)串口屏、傳感器、GPS模塊、WiFi模塊等外設。核心板CPU為STM32 ，人機界面采用組態(tài)串口屏，血氧模塊使用MAX30102，WiFi模塊使用ESP8266和MQTT傳輸協(xié)議，選用移動OneNET平臺。文中詳細闡述了各模塊的設計思路，使用的去中心化設計方法降低了開發(fā)難度，具有很高的推廣價值。

關鍵詞：去中心化;串口屏;體溫測量;傳感器;智能檢測;WiFi模塊

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

開發(fā)一款易用、易維護的人體生理參數(shù)智能檢測儀，讓自助進行人體心電、脈搏、血氧等生理體征參數(shù)的檢測成為可能。數(shù)據能本地顯示、存儲、報警，并將檢測結果上傳到云服務器，實現(xiàn)手機APP同步顯示和數(shù)據后處理、數(shù)據分享，也能與遠程醫(yī)療平臺對接。

1 總體設計方案

1.1 系統(tǒng)總體構成

系統(tǒng)由檢測儀終端、數(shù)據處理云服務器、移動手機端APP構成。設備通過WiFi接入無線網絡，云平臺采用中國移動OneNET云平臺，用于存儲和后處理數(shù)據，進行健康狀況分析、預警，移動手機端APP用于顯示信息以及醫(yī)患交流、數(shù)據分享[1]。

檢測儀硬件主要分為主控板、生理數(shù)據采集模塊、GPS模塊、數(shù)據傳輸模塊、電源管理模塊。主控板完成核心控制功能，生理數(shù)據采集和后處理由各模塊獨立完成，再上傳主控板，組態(tài)串口屏獨立完成顯示功能，通過UART串口與主控板交互。系統(tǒng)功能不再集中到主控板，而是分散到各模塊。

1.2 系統(tǒng)功能描述

檢測儀終端采集人體生理參數(shù)，電容顯示屏以圖文形式顯示相關數(shù)據和人機交互。當數(shù)據出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)遠程報警。報警時，對數(shù)據進行分析處理，必要時可根據地理位置開展救助。檢測儀整機設計方案如圖1所示。

2 硬件設計詳述

根據系統(tǒng)需求分析，核心控制采用STM32低功耗系列處理器，具有4個UART串口[2]。電源選擇可充電大容量鋰電池和外部供電雙電源系統(tǒng)。WiFi模塊采用通用ESP8266模塊，液晶屏采用廣州大彩公司設計生產的組態(tài)串口液晶屏，位置定位使用中科微GPS定位模塊ATGM336H-5N，該模塊功耗較低，可使用電池供電，配合一鍵呼救功能，確保緊急情況下能進行遠程定位。上述三模塊均采用UART接口與MCU對接。

2.1 體溫測量模塊

體溫測量采用探頭式結構，探頭放于人體腋下，溫度傳感器為負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻， 常見的熱敏電阻測溫范圍為-20～200 ℃，精度可達0.1 ℃，符合體溫測量要求[3]。選擇熱敏電阻型號為MF54-503E3950FA-30，測溫精度0.01 ℃，阻值精度±0.05%;

基本溫度測量電路如圖2所示。電路由穩(wěn)壓輸入、測溫電橋、放大電路構成。穩(wěn)壓輸入模塊使用穩(wěn)壓芯片TL431，體溫測量采用電橋和放大電路實現(xiàn)。NTC電阻位于電橋電路左上臂，放大電路采用TI公司設計生產的OP07芯片，將熱敏電阻隨人體溫度變化而產生的變化通過電橋輸出電壓送入放大電路，得到方便測量的電壓信號，ADC采用高精度連續(xù)自校準模數(shù)轉換器ADS1100，將電信換算成體溫數(shù)據。為減少誤差，還需要進行標定和誤差補償處理，由單片機完成。將體溫測量部分電路加上ADC傳感器、單片機做成相對獨立的模塊，再通過UART接口接入系統(tǒng)核心板，保證數(shù)據精度符合醫(yī)療行業(yè)標準。

2.2 心率血氧測量模塊

采用Maxim公司設計生產的MAX30102芯片作為測量心率血氧參數(shù)傳感器，數(shù)據符合行業(yè)標準。該芯片體積小，可應用在可穿戴設備上實現(xiàn)心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。通過標準I2C通信接口，將采集到的數(shù)值傳輸給單片機進行后續(xù)的心率和血氧計算。

為了進一步提高芯片的實用性和可靠性，將芯片及其周邊元件集成在一個模塊上，如圖3所示，使用時通過I2C接口接入核心板即可。

2.3 組態(tài)串口屏模塊

顯示和人機交互模塊采用新型組態(tài)串口屏，內部集成 TFT 顯示驅動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC 顯示、各種組態(tài)控件于一體。系統(tǒng)采用 Cortex-M3+高速FPGA處理器，通過ARM實現(xiàn)協(xié)議的解析處理和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要完成FLASH的圖片讀取和TFT控制顯示。使用功能相對獨立的串口屏，使系統(tǒng)控制功能和顯示功能分離，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，可靠性高。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件劃分為四部分，分別是檢測儀的主程序控制;ESP8266模塊的WiFi接入;云平臺接入;手機端APP開發(fā)。

3.1 單片機核心控制部分

體溫測量模塊和血氧測量模塊均為獨立模塊，通過I2C接口接入單片機，ESP8266模塊、GPS定位模塊、組態(tài)串口屏模塊均通過UART串口接入單片機[4]。

顯示功能采用組態(tài)串口屏，數(shù)據顯示和人機交互均通過串口發(fā)送指令實現(xiàn)，控制功能和人機界面功能分離。因此系統(tǒng)初始化后，運行一個簡單的前后臺系統(tǒng)即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用ESP8266模塊接入WiFi，在其開發(fā)平臺上利用Lua腳本語言實現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括WiFi智能路由無線連接功能、MQTT客戶端與MQTT云服務器端數(shù)據通信功能，由于該模塊功能比較成熟，本文不再詳述[5]。

3.3 OneNET云平臺

OneNET是中國移動打造的物聯(lián)網開發(fā)平臺，開發(fā)文檔完善，開發(fā)者只需按照OneNET平臺的規(guī)范接入平臺，上傳設備數(shù)據即可。數(shù)據存儲在云端，需要時可以從云平臺下載到本地進行分析處理，平臺提供觸發(fā)器功能，可以將滿足條件的數(shù)據推送給第三方，本文利用平臺的觸發(fā)器功能，將數(shù)據推送到第三方服務器。

4 系統(tǒng)測試

搭建系統(tǒng)后，對終端進行測試，同時開啟手機APP，云平臺和手機同步顯示生理數(shù)據，如圖4所示。當人體出現(xiàn)異常時，將數(shù)據上傳至醫(yī)療數(shù)據處理服務器，醫(yī)療數(shù)據處理服務器會對監(jiān)測對象進行定位，位置顯示在電子地圖上，同時顯示報警監(jiān)測對象的詳細數(shù)據信息、個人聯(lián)系方式、詳細的地圖定位。測試結果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠實現(xiàn)對人體數(shù)據采集、監(jiān)測與報警、監(jiān)測對象位置定位等功能。手機APP顯示測量結果如圖4所示。

5 結 語

本文提出一種去中心化的新型產品設計思路，類似計算機分布式處理，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的去中心化。體溫測量模塊和血氧模塊作為獨立模塊出現(xiàn)，并單獨進行數(shù)據處理，保證測量數(shù)據符合相關標準，核心處理器MCU只負責接收各模塊的數(shù)據并控制，顯示和人機交互部分采用相對獨立的組態(tài)串口屏，實現(xiàn)控制和顯示功能的分離，對MCU的資源要求降低。WiFi接入和GSP定位模塊也采用了相對獨立的模塊。

各模塊功能相對獨立，模塊內部功能高度內聚，模塊之間低耦合，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)可靠性，方便后期故障檢測和維護。試驗表明，本設備數(shù)據傳輸穩(wěn)定，人機界面友好，這種將功能合理分散的“去中心化設計”思路有很高的借鑒價值。

參 考 文 獻

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