郭 濤， 李 森， 侯曉娟， 丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051)

伴隨著熱釋電納米發(fā)電機(jī)的迅速發(fā)展[1-4]， 能夠提供長期便攜式和遠(yuǎn)程人體監(jiān)測的智能系統(tǒng)受到人類廣泛關(guān)注. 呼吸信號(hào)作為評(píng)判人體基礎(chǔ)疾病的重要參數(shù)之一， 對(duì)于建立人機(jī)交互信息具有重要意義[5]. 2016年， 哈佛大學(xué)化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)系學(xué)者設(shè)計(jì)了一種基于紙基的可穿戴式呼吸傳感器[6]， 該傳感器能夠通過檢測吸入和呼出空氣中吸附在紙上的水分的瞬態(tài)差異來測量人的呼吸速率. 2017年， 廈門大學(xué)學(xué)者制作了一種自驅(qū)動(dòng)式可穿戴呼吸傳感器[7]， 其將PVDF薄膜集成在一個(gè)N95口罩上， 成功捕獲了人體浪費(fèi)的熱能并用來監(jiān)測人體呼吸. 2018年， 清華大學(xué)微電子研究所報(bào)道了一種用于呼吸監(jiān)測的基于多孔石墨烯的可穿戴濕度傳感器[8]， 其利用呼氣和吸氣過程中多空石墨烯電阻的變化來監(jiān)測呼吸狀態(tài). 然而， 上述呼吸傳感器監(jiān)測呼吸過程需長期依附于人體表面， 其不舒適特性限制了這些傳感器的大規(guī)模應(yīng)用. 2019年， 波蘭P. Janik等制作了一種非接觸式無線藍(lán)牙呼吸監(jiān)測系統(tǒng)[9]， 呼氣和吸氣過程中傳感器電阻會(huì)發(fā)生變化， 當(dāng)給定恒定輸入電壓則外部電路表現(xiàn)為輸出電流的改變. 該傳感器一定程度上解決了可穿戴傳感長期接觸式測量不舒適的問題， 為非接觸式呼吸傳感提供了新的思路.

表 1 中列出了最近的呼吸監(jiān)測文獻(xiàn)研究現(xiàn)狀， 主要包括使用材料、 呼吸響應(yīng)機(jī)制、 測試方法、 敏感單元是否自供電/柔性， 是否具備室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測等. 然而， 呼吸監(jiān)測過程中敏感單元如何排除外部電源限制， 提高呼吸監(jiān)測舒適性及具備室內(nèi)遠(yuǎn)程呼吸實(shí)時(shí)監(jiān)測功能等仍有待解決. 相比其他呼吸傳感單元所使用的呼吸敏感單元， PVDF為有機(jī)環(huán)保材料且具備柔性和呼吸自驅(qū)動(dòng)等優(yōu)勢， 為實(shí)現(xiàn)非接觸式人體呼吸遠(yuǎn)程監(jiān)測和醫(yī)患非接觸式診斷等領(lǐng)域提供了潛在的應(yīng)用前景. 因此， 在實(shí)現(xiàn)呼吸采集的同時(shí)尋找一種柔性、 舒適、 可遠(yuǎn)程室內(nèi)無線傳輸?shù)暮粑鼈鞲邢到y(tǒng)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

表 1 部分呼吸監(jiān)測研究現(xiàn)狀

本文提出一種將熱釋電材料PVDF與無線藍(lán)牙電路相結(jié)合的新方法， 制作一種結(jié)構(gòu)簡單、 性能穩(wěn)定的非接觸式呼吸傳感系統(tǒng). 利用人體周期性呼氣和吸氣過程中浪費(fèi)的熱能， 使PVDF表面周期性加熱和冷卻， 導(dǎo)致其表面有效電荷密度改變來作為呼吸傳感監(jiān)測工作機(jī)理， 以STM32單片機(jī)為呼吸信號(hào)核心處理單元， 在非接觸式呼吸狀態(tài)下對(duì)其性能進(jìn)行測試.

1 呼吸敏感單元工作原理

基于自驅(qū)動(dòng)式的呼吸敏感單元是利用熱釋電材料熱釋電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的. 圖 1 闡述了人體呼吸過程中電能產(chǎn)生的過程. 其具有類三明治結(jié)構(gòu)， 上下電極層包裹著中間的熱釋電敏感功能層. 熱釋電材料具有極化強(qiáng)度隨溫度改變而產(chǎn)生電荷釋放的現(xiàn)象， 熱釋電材料PVDF極化后， 薄膜的一側(cè)有氟原子(更容易得電子)， 另一側(cè)有氫原子(更容易失去電子)， 形成垂直于薄膜的偶極子. 這些束縛電荷被空氣中附集在晶體表面的自由電子中和， 因此， 外部表現(xiàn)為無電壓或電流， 如圖1(a)所示.

圖 1 自供電呼吸傳感工作原理Fig.1 Working principle diagrams of self-powered breathing sensor

呼氣過程中， 人體鼻子產(chǎn)生的水蒸氣使PVDF表面溫度升高， 其內(nèi)部偶極子偏轉(zhuǎn)角度增大， 內(nèi)部極化偶極子密度降低， 在短時(shí)間內(nèi)， 自由電子無法及時(shí)與束縛電荷相中和， 外部電路會(huì)測得電壓或電流信號(hào)， 如圖1(b)所示. 相反， 鼻子吸氣過程中， PVDF表面水蒸氣隨室內(nèi)冷空氣流動(dòng)迅速蒸發(fā)， 其表面溫度隨之降低， 因此， 外部電路會(huì)測得相反的電壓或電流信號(hào)， 如圖1(c)所示. 在周期性的鼻子呼氣和吸氣過程中， 會(huì)產(chǎn)生周期性的交流電. 在隨溫度變化的時(shí)間間隔內(nèi)， PVDF表面熱釋電電壓[10]為

(1)

式中：S為PVDF的受熱面積；P為材料PVDF的熱釋電系數(shù)； ΔT為呼吸過程PVDF敏感單元表面產(chǎn)生的溫度差；C為PVDF的等效電容.

對(duì)于人體鼻子呼吸引起的PVDF表面溫度變化， 其主要原因有兩個(gè)： 首先， 人體為恒溫?zé)嵩矗?與環(huán)境大氣之間存在天然的溫度差； 其次， 鼻子在周期性呼氣和吸氣過程， 產(chǎn)生的水蒸氣在傳熱和散熱過程中扮演重要的角色. 人呼出的氣體通常伴隨著水蒸氣， 因此當(dāng)水蒸氣遇到低溫PVDF薄膜時(shí)， 它會(huì)凝結(jié)在薄膜上， 使其表面溫度發(fā)生周期性冷熱交替熱流. 一般情況下， 水蒸氣產(chǎn)生的熱能是根據(jù)以下方程計(jì)算的[4].

MCTΔT=LmH2O,

(2)

式中：M，CT， ΔT，L和mH2O分別代表熱釋電器件的重量(g)， 比熱容 (1.4 J/(g·K))， 熱釋電呼吸設(shè)備PVDF表面溫度變化， 水在25 ℃時(shí)的蒸發(fā)散熱量(2 260 J/g) 和水蒸氣質(zhì)量. 基于方程(2)， 在鼻子呼氣過程中， 理想情況下 PVDF表面與環(huán)境之間的溫差瞬時(shí)約為13 K， 所需水蒸氣質(zhì)量為1.610 mg. 顯然， 很少的水蒸氣就可以驅(qū)動(dòng)PVDF敏感單元， 因此， 水蒸氣在實(shí)現(xiàn)非接觸式人類呼吸測試中扮演著重要角色.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路系統(tǒng)組成

該呼吸測試系統(tǒng)通過PVDF熱敏感單元進(jìn)行人體呼吸熱-電信號(hào)的轉(zhuǎn)變， 經(jīng)主控芯片STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)， 并將數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙通訊實(shí)時(shí)發(fā)送給Android客戶端人機(jī)交互系統(tǒng)， 從而實(shí)時(shí)向測試者展示， 實(shí)現(xiàn)了呼吸信號(hào)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測.

該無線采集系統(tǒng)主要由以下部分組成： 信號(hào)調(diào)理電路、 電源模塊、 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、 STM32主控單元和無線藍(lán)牙模塊， 其原理框圖如圖 2 所示.

圖 2 電路系統(tǒng)組成框圖

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于在周期性的鼻子呼氣和吸氣過程中， PVDF熱敏感單元輸出一個(gè)周期性的交流電信號(hào)， 其中一半為負(fù)電壓， 不能作為AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)， 因此采用了同向加法電平抬升電路， 將整個(gè)輸出電壓上升到正電平， 以便AD轉(zhuǎn)換器獲取整個(gè)信號(hào)， 其電路如圖 3 所示.

圖 3 電壓抬升電路Fig.3 Voltage rising circuit

2.3 電源模塊及數(shù)據(jù)采集模塊關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)便攜式呼吸監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)人體進(jìn)行長期監(jiān)測， 供電模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件電路的性能有重要的影響. 電池長時(shí)間放電導(dǎo)致輸出電壓隨之降低， 無法滿足系統(tǒng)模塊長期穩(wěn)定工作電壓需求. 在設(shè)計(jì)電源過程中考慮到室內(nèi)測試系統(tǒng)的便攜性及長期供電的穩(wěn)定性需求， 本節(jié)點(diǎn)采用USB轉(zhuǎn)5 V供電， 電源輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓芯片AMS1117提供3.3 V 電壓給信號(hào)調(diào)理電路及主控芯片和無線藍(lán)牙模塊供電， 其電路如圖 4 所示.

圖 4 電源供電模塊電路Fig.4 Power supply module circuit

為了將采集的人體鼻子呼吸信號(hào)通過無線藍(lán)牙發(fā)送到智能手機(jī)終端， 必須將采集的呼吸電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息. 該采集電路以呼吸熱敏感單元的輸出電壓為輸入信號(hào)， 經(jīng)主控芯片控制將人體呼吸模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換， 其轉(zhuǎn)換流程如圖 5 所示， 最后將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中并通過藍(lán)牙將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)終端.

圖 5 A/D轉(zhuǎn)換流程圖Fig.5 A/D conversion flow chart

由于人體溫度引起的熱信號(hào)屬于低頻信號(hào)，通常為0.01～1 Hz， 即監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集單元需滿足一定的采樣頻率， 以便順利無失真地采集到所需呼吸信號(hào). 設(shè)置時(shí)鐘為12 MHz， 采樣時(shí)間為239.5個(gè)時(shí)鐘周期， 通過計(jì)算采樣時(shí)間為0.2 ms， 采樣頻率為5 kHz. 根據(jù)采樣定理， 實(shí)際應(yīng)用中要保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍， 即采樣頻率高于10 Hz， 其采樣模塊符合設(shè)計(jì)要求.

2.4 無線藍(lán)牙傳輸模塊

為了使監(jiān)測的人體生理信號(hào)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程便攜式查看. 傳統(tǒng)的有線電纜顯然已經(jīng)無法滿足需求， 因此， 我們選用成熟的無線藍(lán)牙通訊技術(shù)， 其傳輸距離在10 m左右， 滿足大多數(shù)房間內(nèi)的信號(hào)傳輸. 為了方便設(shè)計(jì)， 本系統(tǒng)選用英國劍橋推出的HC-05， 該芯片是主從一體的藍(lán)牙串口模塊， 即當(dāng)藍(lán)牙與藍(lán)牙設(shè)備建立連接后兩個(gè)設(shè)備共用同一通道， 一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中， 另一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù). 該系列藍(lán)牙模塊支持AT指令， 可以設(shè)置自己的藍(lán)牙名稱從而方便使用. 如圖 6 所示為單片機(jī)電路與藍(lán)牙模塊連接電路， 當(dāng)單片機(jī)給藍(lán)牙傳遞數(shù)據(jù)時(shí)， 其寫端引腳的TXD與讀取端藍(lán)牙RXD相連， 將人體呼吸數(shù)字化信號(hào)通過藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)發(fā)送給手機(jī)終端.

圖 6 無線藍(lán)牙傳輸電路Fig.6 Wireless Bluetooth transmission circuit

3 人體呼吸測試結(jié)果分析

3.1 熱釋電呼吸系統(tǒng)非接觸式測試

本文提出的非接觸式呼吸測量方法， 其測試裝置如圖 7 所示， 避免了傳統(tǒng)呼吸測試中長期接觸式系統(tǒng)的不舒適感.

圖 8 顯示了測試前安卓手機(jī)界面的初始狀態(tài)， 其中水平坐標(biāo)表示信號(hào)采集的時(shí)間(18 s)， 垂直坐標(biāo)上的網(wǎng)格數(shù)(mV)表示測試信號(hào)的大小. 手機(jī)初始界面為一條直線， 表明沒有呼吸信號(hào)輸入.

圖 7 非接觸式呼吸測試示意圖Fig.7 Schematic of non-contact breathing test

圖 8 手機(jī)初始界面Fig.8 Initial interface of mobile phone

生活中人體呼吸產(chǎn)生的浪費(fèi)熱通過換能器件(PVDF)轉(zhuǎn)換后， 可以用來實(shí)現(xiàn)自供電呼吸測試， 進(jìn)一步通過無線傳輸將人體生理信號(hào)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)終端， 實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)療. 本文使用非接觸式呼吸測試系統(tǒng)測試了兩種不同呼吸狀態(tài)， 包括正常呼吸和慢跑后呼吸， 以演示該裝置的呼吸監(jiān)測功能. 圖 9 展示了人體鼻子呼吸電性能輸出信號(hào)， 手機(jī)界面18 s波形結(jié)果顯示， 人體呼吸次數(shù)為4次， 進(jìn)而表明人體每分鐘呼吸約14次， 一個(gè)健康的人體每分鐘呼吸12～23次[11]， 符合健康人體呼吸頻率.

圖 9 正常呼吸測試Fig.0 Normal breathing test

在相同條件下， 慢跑一段時(shí)間后， 隨之測試了跑步后呼吸頻率信息， 測試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示于手機(jī)界面， 如圖 10 所示. 由圖可知， 手機(jī)界面18 s波形次數(shù)為5次， 進(jìn)而說明測試者慢跑后每分鐘呼吸頻率大約17次， 符合健康人體呼吸頻率. 雖然與文獻(xiàn)[7]接觸式呼吸測試相比輸出電壓明顯降低， 但是通過輸出電壓信號(hào)仍成功記錄并反映出鼻子呼吸頻率的信息. 同時(shí)， 該測試系統(tǒng)準(zhǔn)確記錄測試者正常呼吸和慢跑后呼吸頻率的微小差別， 表明該非接觸式測試系統(tǒng)仍具有優(yōu)異的靈敏度.

圖 10 慢跑呼吸測試Fig.10 Breathing test after jogging

圖 9 和圖 10 中一個(gè)周期電壓信號(hào)分正負(fù)兩部分, 分別代表呼氣和吸氣過程. 當(dāng)呼氣時(shí), 產(chǎn)生的水蒸氣使PVDF薄膜表面溫度迅速升高, 經(jīng)外部電路測試得到正的輸出電壓. 當(dāng)吸氣時(shí)， PVDF表面水蒸氣隨室內(nèi)空氣流動(dòng)緩慢蒸發(fā)使其冷卻， 外部電路測得負(fù)的電壓信號(hào). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 信號(hào)調(diào)理電路成功實(shí)現(xiàn)了負(fù)電壓的正向抬升， 該呼吸系統(tǒng)可以完整采集鼻子呼氣和吸氣過程信息， 且輸出電壓信號(hào)可直接反映人體呼吸頻率.

3.2 呼吸系統(tǒng)室內(nèi)無線傳輸測試

為了測試呼吸系統(tǒng)在室內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用效果， 在濕度為293 K的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行呼吸測試， 相距10 m范圍的手機(jī)放大圖清晰地記錄了人體呼吸信號(hào)， 結(jié)果如圖 11 所示. 因此， 該呼吸測試系統(tǒng)非常適合于醫(yī)院或個(gè)性化家庭健康設(shè)備的遠(yuǎn)距離室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測， 通過遠(yuǎn)距離非接觸式方式成功采集輸出的熱釋電電壓信號(hào)在一定程度上可用來反映人體生理信息的呼吸頻率狀態(tài).

4 結(jié) 論

本文使用了低成本環(huán)保材料PVDF與無線藍(lán)牙電路相結(jié)合的新方法， 成功制作了一種非接觸式呼吸傳感系統(tǒng). 其具備結(jié)構(gòu)簡單、 性能穩(wěn)定、 便攜性、 非接觸式和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢. 經(jīng)測試， 設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路成功實(shí)現(xiàn)了負(fù)電壓正向抬升作用. 無線智能呼吸系統(tǒng)成功記錄呼氣過程和吸氣過程完整波形并實(shí)現(xiàn)了人體不同呼吸狀態(tài)下(正常呼吸14次/min和慢跑后呼吸17次/min)呼吸信號(hào)的監(jiān)測. 最后將其應(yīng)用于室內(nèi)呼吸監(jiān)測， 實(shí)現(xiàn)了10 m范圍內(nèi)呼吸實(shí)時(shí)監(jiān)測， 說明該非接觸式智能呼吸系統(tǒng)在便攜式監(jiān)測、 遠(yuǎn)程醫(yī)患信息交互和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.