基于藍(lán)牙的呼吸監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

王捷　項(xiàng)東升　湯新鵬

摘要：近年來隨著環(huán)境的變化，部分地區(qū)空氣污染情況不容樂觀，加上我國逐漸呈現(xiàn)人口老齡化問題，相關(guān)呼吸道疾病的患病率大幅度提高，在這樣的背景下面我們迫切需要一款呼吸檢測裝置用以保障老齡等弱勢群體的身體健康問題，我們在這里設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙的可穿戴式的呼吸監(jiān)測裝置，希望給相關(guān)用戶的身體健康帶來保障。

關(guān)鍵詞：呼吸檢測;可穿戴;健康;藍(lán)牙

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0247-03

1 概述

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與發(fā)展，為可穿戴式設(shè)備的研發(fā)提供了有力的技術(shù)支持，同時(shí)隨著我國居民生活條件不斷地變好，健康問題也成為當(dāng)下的一個(gè)社會熱點(diǎn)問題。我們結(jié)合了這兩個(gè)方面的市場需求推出一款基于藍(lán)牙的可穿戴的智能呼吸檢測裝置用以保障相關(guān)用戶的健康問題并對人的身體呼吸狀態(tài)進(jìn)行初步預(yù)測。通過這些預(yù)備處理，我們就可以在第一時(shí)間內(nèi)對高危群體展開治療，這樣不僅降低了風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率，也提高了相關(guān)患者的生活質(zhì)量。

2 背景

我們熟知的多種呼吸道疾病比如睡眠呼吸暫停綜合征 SAHS（Sleep Apnea Hyponex Syndrome）是一種社會中比較常見的疾病，同時(shí)它也能成為相關(guān)腦血管疾病、心肌梗死、高血壓等疾病的導(dǎo)火索之一。病情輕者危及健康，病情嚴(yán)重者甚至可能在睡眠中猝死，實(shí)時(shí)監(jiān)測患者的呼吸狀態(tài)不僅可以幫助患者脫離風(fēng)險(xiǎn)，而且可以通過我們的警報(bào)提醒裝置，在第一時(shí)間內(nèi)預(yù)防各種并發(fā)癥的發(fā)生。

可穿戴式監(jiān)測設(shè)備相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備有諸多的優(yōu)點(diǎn)，比如用戶在佩戴過程中完全沒有心理負(fù)荷，一些傳統(tǒng)設(shè)備例如攝像頭在工作時(shí)用戶一般都會覺得隱私被侵犯，心理壓力大，在這種狀態(tài)下監(jiān)測到的數(shù)據(jù)就不是人體正常數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)造成的誤差是十分大的，相比較我們的可穿戴式監(jiān)測設(shè)備具有體積小、成本低、功耗小、便于攜帶等諸多優(yōu)點(diǎn)，用戶佩戴幾乎不會造成任何心理負(fù)擔(dān)，所以說一款可穿戴式的監(jiān)測裝置是相關(guān)患者的最優(yōu)選擇。

于此同時(shí)，Android技術(shù)的發(fā)展對可穿戴式設(shè)備有著極大的影響，近年來智能手機(jī)的發(fā)展十分迅速，以前我們利用智能手機(jī)僅僅用于監(jiān)測患者的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在隨著智能手機(jī)的性能越來越高，我們不僅能夠?qū)崿F(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測同時(shí)還能夠?qū)?shù)據(jù)傳送到我們的云端數(shù)據(jù)庫。

我們利用藍(lán)牙通信是因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)具有低功耗、低成本與安全性高三大優(yōu)勢，同時(shí)也可以保障系統(tǒng)長時(shí)間無間斷的監(jiān)測，相比較其他設(shè)備藍(lán)牙設(shè)備所攜帶的電子脈沖波頻率十分的低，對患者的身體影響微乎其微，于此同時(shí)由于藍(lán)牙技術(shù)的通信距離的限制，我們可以有效的保障用戶的身體數(shù)據(jù)不會泄露出去，所以我們把藍(lán)牙設(shè)備傳輸作為我們的設(shè)計(jì)首選。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前，在整個(gè)市場上面，相關(guān)設(shè)備的種類十分稀少，或多或少都存在著不足之處，根據(jù)我們的調(diào)查，患有呼吸困難疾病的人數(shù)不斷增加，這就為我們市場的拓展提供了極大的可能，與傳統(tǒng)方法比較，比如留院查看，安全性高，但是這種方法需要耗費(fèi)極大的醫(yī)療費(fèi)用，一般的普通家庭根本無法承受，又或者是監(jiān)護(hù)人監(jiān)督，這種方法不需要支出，但是安全性根本得不到保障，因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人不可能在長時(shí)間內(nèi)連續(xù)不間斷的查看患者狀態(tài)，所以我們的這款系統(tǒng)就是在這樣的一種背景下應(yīng)運(yùn)而生，它不僅經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，同時(shí)安全系數(shù)也比較高，具有較好的市場競爭力。

4 檢測原理

我們主要的數(shù)據(jù)收集模塊是溫度傳感器，通過這樣一個(gè)傳感器我們可以有效的監(jiān)測用戶的呼吸狀態(tài)，患者鼻腔處的溫度會伴隨著人的呼吸頻率的變化而變化，例如一個(gè)人呼吸頻率高那么我們繪制的溫度曲線類似與正弦波分布密集而且陡峭，相反就是疏散而平坦，當(dāng)用戶呼吸困難時(shí)那么這條曲線就會向直線狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這時(shí)我們的系統(tǒng)就會在第一時(shí)間內(nèi)檢測并且發(fā)出警報(bào)。

5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們的硬件系統(tǒng)組成包括頭戴式呼吸機(jī)，移動(dòng)端接收軟件，微處理器，系統(tǒng)電路，液晶顯示模塊、電源管理模塊、溫度傳感模塊以及藍(lán)牙通信模塊組成，硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示，在下面我們簡要地介紹一下幾個(gè)主要模塊的功能。

5.1 微處理器

我們的處理器采用STM32F4系列的微處理器，它具有高性能、低功耗與低成本的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼容于STM32F2系列產(chǎn)品，在STM32F2的基礎(chǔ)上集成了新的DSP和FPU指令，基本上可以保障絕大多數(shù)傳感器的通信要求。

5.2 電源管理模塊

本系統(tǒng)采用的鋰電池規(guī)格是3.7V，同時(shí)支持通過設(shè)備的USB端口直接對其進(jìn)行充電，我們通過查看STM32的ADC可以實(shí)現(xiàn)對裝置的電池電量進(jìn)行查看，以便于提醒相關(guān)用戶及時(shí)為裝置充電。

5.3 溫度感應(yīng)模塊

在患者的呼吸通道處我們安裝了一個(gè)DS18B20溫度傳感器，這種傳感器具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，基本上符合絕大多數(shù)應(yīng)用場景。我們眾所周知人體在呼氣時(shí)周圍溫度會隨之改變，我們利用這種原理監(jiān)測用戶的呼吸頻率以及相關(guān)呼吸狀態(tài)，以便于我們在第一時(shí)間了解用戶的身體狀況。

5.4 電路設(shè)計(jì)

我們在系統(tǒng)中采用了前置放大電路、低通濾波電路、高通濾波電路以及后級放大電路來提高收集到的信號的強(qiáng)度，保障數(shù)據(jù)的精確度，我們的電路工作流程圖如圖2所示。

其中我們通過傳感器采集到的呼吸數(shù)據(jù)經(jīng)過前置放大電路進(jìn)行放大;接著利用低頻濾波電路與高頻濾波電路排除其他干擾條件;然后我們通過后置放大電路把信號值放大到我們的允許電壓范圍以內(nèi)。最后通過微處理器的分析并且通過藍(lán)牙將我們采集到的信號傳輸?shù)轿覀兊氖謾C(jī)終端。下面我們簡單地介紹一下幾種電路的功能。

1） 前置放大電路：患者的呼吸信號是一種生物電信號，信號強(qiáng)度是十分微弱的，所以我們在電路中采用前置放大電路來提高我們的信號強(qiáng)度，這樣會使得我們收集到的用戶數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，這里我們采用AD620放大器，信號經(jīng)過AD620放大器后基本不會產(chǎn)生失真現(xiàn)象，這樣就可以把系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)誤差控制在可靠范圍之內(nèi)。

2） 低通濾波電路：患者呼吸過程當(dāng)中存在部分高頻干擾信號，這里我們需要低通濾波電路來截至高頻信號。

3） 高通濾波電路：我們監(jiān)測患者呼吸數(shù)據(jù)時(shí)，由于心跳信號和其他干擾信號的影響，會產(chǎn)生零點(diǎn)數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，高通濾波電路的作用時(shí)保持呼吸信號處于一個(gè)水平的位置。同時(shí)高通濾波器與低通濾波器組成了一個(gè)頻帶較寬的帶通濾波器，這樣無論是高頻信號或者低頻信號干擾，我們都可以阻隔在外。

4） 后級放大電路：信號經(jīng)過前置放大電路的放大信號強(qiáng)度增強(qiáng)，不足的是輸出電壓還是處在一個(gè)比較低的值，我們要保證信號的正確傳輸就必須對輸出電壓的大小作以調(diào)整。

5.5 通信模塊

在這里我們采用異步收發(fā)器（UART），相比較異步收發(fā)器的性能與USB接口相當(dāng)，但是異步收發(fā)器的傳輸協(xié)議簡單明了，減少了不必要的開銷，所以我們的通信模塊采用異步收發(fā)器接口與藍(lán)牙相連接，我們采用的藍(lán)牙芯片為JBM-141，這款芯片適用于各種近距離無線數(shù)據(jù)傳輸，可以根據(jù)規(guī)格對串口的速率進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一對一或者一堆多的全透明性數(shù)據(jù)傳輸。

6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們的軟件系統(tǒng)主要包括呼吸監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋模塊、警報(bào)模塊、在線論壇模塊、個(gè)人設(shè)置模塊以及安全建議模塊組成。軟件整體架構(gòu)圖如圖3所示。

1） 呼吸數(shù)據(jù)反饋模塊。安卓端通過通信接口接收從傳感器傳輸而來的數(shù)據(jù)，并且繪制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)浮動(dòng)曲線，在可視化界面當(dāng)中用戶可以很清楚地看到當(dāng)前的呼吸狀況數(shù)據(jù)。

2） 警報(bào)模塊。我們在這里根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息與用戶上傳的正常呼吸數(shù)據(jù)做比較，每當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的異常時(shí)我們就可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息，提示監(jiān)護(hù)人員注意。

3） 在線論壇。在這里我們可以直接收集到用戶對我們系統(tǒng)的體驗(yàn)信息，以便于我們對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提升用戶的滿意度。

4） 個(gè)人設(shè)置。用戶可以查看到自己的睡眠質(zhì)量信息，更改自己的賬號信息等，同時(shí)我們系統(tǒng)對用戶的睡眠信息進(jìn)行初步分析提出反饋建議，用戶也可以在個(gè)人設(shè)置里面接收采納我們的建議。

7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

7.1 技術(shù)工具分析

本系統(tǒng)基于安卓Studio開發(fā)，它是最新一代的安卓開發(fā)工具，內(nèi)含許多的軟件開發(fā)框架方便簡潔，同時(shí)具有穩(wěn)定、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。

我們選擇SQL Server2017作為我們的數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用tomcat服務(wù)器完成解釋器的編譯，同時(shí)tomcat服務(wù)器功能強(qiáng)大，具有跨平臺、安全等多種特性。

7.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

我們的系統(tǒng)在分析用戶監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)，需要運(yùn)用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)經(jīng)行一個(gè)設(shè)備端向服務(wù)端的一個(gè)信息傳遞，數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

7.3 界面UI設(shè)計(jì)

我們的主題設(shè)置主要以清新的綠色格調(diào)為主，這樣不僅對用戶的視力有所保護(hù)，同時(shí)給用戶一種視覺愉悅感，我們的字體選擇微軟雅黑，這種字體從整體看上去十分的美觀，具有高的辨識度。

7.4 手機(jī)終端接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

我們的設(shè)備在進(jìn)行藍(lán)牙傳輸時(shí)必須要進(jìn)行藍(lán)牙連接，我們的藍(lán)牙連接要以適配器作為基礎(chǔ)。同時(shí)我們的智能安卓手機(jī)終端上面必須配備藍(lán)牙API，同時(shí)在代碼設(shè)計(jì)中我們要對藍(lán)牙的設(shè)計(jì)權(quán)限作以申明。在權(quán)限申明之后我們通過藍(lán)牙適配器得到適配器對象，然后搜索連接相關(guān)設(shè)備，連接成功之后我們通過代碼中的getInputStream（）方法接收從設(shè)備端傳輸過來的數(shù)據(jù)，具體流程圖如圖4所示。

8 結(jié)束語

本文針對廣大具有呼吸困難疾病的用戶設(shè)計(jì)了一款可穿戴式的呼吸監(jiān)測裝置，該裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對用戶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)對用戶的呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一旦用戶身體呼吸數(shù)據(jù)產(chǎn)生異?，F(xiàn)象，我們監(jiān)測系統(tǒng)都可以在第一時(shí)間內(nèi)發(fā)出警報(bào)提示用戶，為相關(guān)用戶提供保障，同時(shí)我們的系統(tǒng)簡單實(shí)用，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，具有較高的性價(jià)比，符合廣大用戶的需求。

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