慢性疾病預(yù)警智能定位手環(huán)設(shè)計(jì)*

烏亞晗，張 芮,趙正瑞,周會(huì)濤,劉佳璐,陳興文，劉 燕

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

我國(guó)已進(jìn)入老齡化社會(huì)，大多數(shù)老人由于子女工作繁忙或異地工作，常常處于獨(dú)居養(yǎng)老狀態(tài)。慢性疾病是影響老人生活質(zhì)量的首要因素，其中心肺疾病被稱(chēng)為頭號(hào)殺手。如何解決獨(dú)居老人心血管慢性疾病的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)生理與起居狀態(tài)被家人及社區(qū)了解是極其必要的。這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈感和初衷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需求

針對(duì)老年人心肺慢性病特征和獨(dú)居養(yǎng)老起居問(wèn)題，本裝置設(shè)計(jì)需從以下幾個(gè)方面考慮設(shè)計(jì)需求：

1) 心肺生理參數(shù)采集傳感器選型，要考慮集成化、小型化和信號(hào)輸出的穩(wěn)定性，盡量避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤報(bào)等情況；

2) GPS定位與GSM數(shù)據(jù)發(fā)送模塊選型，利用GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟煌K的傳統(tǒng)方式不僅增加成本，而且體積較大、不利于便攜，因此要考慮GPS與GSM的集成模塊設(shè)計(jì)；

3) 生活起居狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器選型，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式采用3軸加速度計(jì)，這只能實(shí)現(xiàn)防摔倒檢測(cè)，但是對(duì)老人日常鍛煉身體時(shí)的姿態(tài)監(jiān)測(cè)是不全面的；如果采用六軸傳感器可以更準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)著地方式、著地力、擺動(dòng)角度、步幅、步頻等參數(shù)，可以輔助指導(dǎo)老人日常鍛煉。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)、串口擴(kuò)展模塊、血氧濃度采集、六軸姿態(tài)感知傳感器、GPS與GSM集成模塊(SIM868模塊)、人機(jī)接口(LCD顯示、鍵盤(pán))、電源供電管理模塊(包括充電電路)等部分構(gòu)成。當(dāng)人機(jī)接口發(fā)出系統(tǒng)啟動(dòng)命令，STM32便發(fā)出狀態(tài)數(shù)據(jù)采集指令；當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)異常，便發(fā)出指令通過(guò)SIM868模塊發(fā)給手機(jī)上告知家人或者社區(qū)管理人員。由于SIM868和血氧飽和度測(cè)量模塊都要用到串口資源，故為STM32設(shè)計(jì)串口擴(kuò)展功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件以STM32F103單片機(jī)為控制核心，充分利用SIM868模塊集成了GPS和藍(lán)牙功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)語(yǔ)音、短信、GPRS數(shù)據(jù)傳輸、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸和GPS定位等功能，利用血氧飽和度和六軸傳感器實(shí)現(xiàn)人體生理與起居狀態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)。下面就SIM與單片機(jī)接口、串口擴(kuò)展和血氧飽和度及六軸傳感器模塊的硬件設(shè)計(jì)作具體介紹。

3.1 串口擴(kuò)展模塊接口設(shè)計(jì)

為了能夠同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)GSM數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，需要對(duì)STM32最小系統(tǒng)進(jìn)行串口擴(kuò)展。目前，通用的串口擴(kuò)展主要有軟件和硬件兩種實(shí)現(xiàn)方法。其中軟件實(shí)現(xiàn)存在著通信頻率低和采樣次數(shù)少的問(wèn)題[1]。出于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)需求，采用硬件擴(kuò)方式。在這里選用成都國(guó)騰微電子公司出品的GM8123芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件擴(kuò)展。該芯片可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過(guò)外部引腳控制串口擴(kuò)展模式。在單通道工作模式時(shí)，指定一個(gè)子串口和母串口以相同的波特率單一的工作；在多通道工作模式時(shí)，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時(shí)工作。母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率。具體擴(kuò)展接口如圖2所示。

圖2 串口拓展接口電路

3.2 SIM868模塊接口設(shè)計(jì)[2]

為實(shí)現(xiàn)將位置信息和慢性病人生理與起居參數(shù)上傳遠(yuǎn)端，選用SIMCOM(希姆通)公司生產(chǎn)的SIM868模塊設(shè)計(jì)。該模塊除了支持短信、電話、GPRS、DTMF、TTS、HTTP、FTP、彩信、郵件這些功能外，還支持高性能全球定位系統(tǒng)，支持GPS、北斗和GLO三大定位系統(tǒng)，及免費(fèi)提供支持基站定位。模塊電源可采用DC-DC和USB模式供電。模塊的GSM串口和GPS串口都設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路，兼容TTL串口。模塊中的GSM、GPS、藍(lán)牙天線都進(jìn)行了阻抗控制。

3.3 血氧飽和度模塊接口設(shè)計(jì)

血氧飽和度是反映血液中血氧濃度的指標(biāo)，可直接掌握全身氧和狀況。連續(xù)監(jiān)測(cè)血氧飽和度可早期發(fā)現(xiàn)隨時(shí)出現(xiàn)的低血糖癥，以避免因?yàn)槿毖踉斐缮眢w損傷甚至死亡。通常的血氧數(shù)據(jù)采集方式大都分為兩種，一種是心電圖監(jiān)測(cè)，另一種是通過(guò)血液的光感反應(yīng)(PPG監(jiān)測(cè))。心電圖監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)工具相對(duì)比較大，不適合實(shí)現(xiàn)家庭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。

PPG的監(jiān)測(cè)的是通過(guò)光感監(jiān)測(cè)，利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測(cè)量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過(guò)綁帶或夾子固定在病患的手指、手腕或耳垂上實(shí)現(xiàn)測(cè)量。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)充血，容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時(shí)利用皮膚對(duì)光的反射或透射來(lái)評(píng)價(jià)皮膚血流灌注度有關(guān)信息的方法，實(shí)現(xiàn)血氧飽和度監(jiān)測(cè)。血氧飽和度越高，表示新陳代謝也會(huì)更好。本系統(tǒng)采用深圳石谷棠科技生產(chǎn)的血氧測(cè)量探頭，其接口為串口。

3.4 六軸傳感器采集單元接口設(shè)計(jì)

這里采用MPU6050六軸傳感器主要是為了實(shí)時(shí)地檢測(cè)人體活動(dòng)狀況。芯片內(nèi)部集成了一個(gè)三軸MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))陀螺儀、一個(gè)三軸MEMS加速度計(jì)，以及用于數(shù)據(jù)輸出的I2C總線。加速度(Acceleration，ACC)信號(hào)一方面可以感知人體動(dòng)態(tài)動(dòng)作和行為隨時(shí)間變化的速度及空間軌跡信息；另一方面也可以獲取人體靜態(tài)行為和動(dòng)作相對(duì)于參考平面的角度傾斜信息。因此，可以利用MPU6050傳感器進(jìn)行人體動(dòng)作和行為的感知和識(shí)別。CPU要獲取人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息時(shí)，首先啟動(dòng)I2C總線和初始化MPU6050后，才能獲取MPU6050監(jiān)測(cè)人的起居轉(zhuǎn)移狀態(tài)。其單元接口電路如圖3所示。

圖3 六軸傳感器采集單元接口設(shè)計(jì)

4 軟件算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括SIM868模塊工作模式(GPS與GPRS數(shù)據(jù)獲取與傳輸交換)、血氧飽和度、六軸加速度等功能模塊設(shè)計(jì)。這里著重討論六軸加速度在跌倒檢測(cè)方面的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 基于閾值的跌倒檢測(cè)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，檢測(cè)當(dāng)前合成加速度是否大于閾值2.5 g，若小于2.5 g，則返回繼續(xù)采樣測(cè)量；若大于2.5 g，則認(rèn)為疑似跌倒；若檢測(cè)到疑似跌倒，延時(shí)3s，進(jìn)入二次判斷，檢測(cè)人體角度是否在閾值范圍內(nèi)。若在這個(gè)范圍持續(xù)保持在3s以?xún)?nèi)，則可以判定為老人跌倒。此時(shí)打開(kāi)GPS定位信息，將報(bào)警信號(hào)通過(guò)SIM868模塊發(fā)出。

4.2 血氧飽和度數(shù)據(jù)采集分析

系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)完成后，關(guān)鍵問(wèn)題是測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。人體檢測(cè)時(shí)，手指插入探頭到數(shù)據(jù)正確上傳的時(shí)間間隔約10s，手指拔出探頭到血氧數(shù)據(jù)消失時(shí)間間隔約5s。表1和表2為血氧模塊精確度和弱灌注檢測(cè)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 血氧模塊精確度(心率80,脈搏強(qiáng)度選擇2.5%)

表2 弱灌注檢測(cè)(采用95%血氧值，脈率80)

通過(guò)兩組測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，脈搏強(qiáng)度為2.50%的時(shí)候，模塊測(cè)量血氧與脈搏的精確度為100%。可是隨著脈搏強(qiáng)度的減小,血氧的測(cè)量出現(xiàn)了偏差，而脈搏的精確度仍然是100%。脈搏強(qiáng)度減小到0.10%時(shí)，血氧與脈搏都無(wú)法檢測(cè)出來(lái)了。而這個(gè)精確度已經(jīng)符合家用醫(yī)療儀器的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將慢性疾病患者日常脈氧監(jiān)護(hù)與日常行為監(jiān)測(cè)、異常預(yù)警定位和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信等功能集于一體，致力于解決社會(huì)居家養(yǎng)老問(wèn)題，方便家人與醫(yī)護(hù)人員對(duì)異常情況快速的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置操作方式簡(jiǎn)單，運(yùn)用成本低，對(duì)于脈氧測(cè)量精度與跌倒事件的判斷具有較高的準(zhǔn)確性，為慢性病人及時(shí)救治提供了技術(shù)支持。