一種智能型血氧檢測儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 峰，羅志堅(jiān)，趙展飛，馬南丞

（1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104；2.湖南康驗(yàn)醫(yī)療科技有限公司，長沙410011）

血氧檢測儀主要用來檢測血液中的血氧飽和度，如果人體血氧濃度低于94%，一般視為供氧不足.2019年末新冠肺炎疫情開始蔓延，至2020年8月初，全球確診超過1800萬人［1］.新冠肺炎死亡率高，體征指標(biāo)典型表現(xiàn)有血氧濃度下降.為提高治愈率，患者需使用血氧檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測血氧濃度.另外，血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病患者、老年人等大都需要血氧檢測儀［2］，需求量不少.

血氧飽和度指標(biāo)十分重要，如何科學(xué)準(zhǔn)確測量是研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外醫(yī)療公司對血氧檢測技術(shù)進(jìn)行了專利布局［3］.文獻(xiàn)［4］以MSP430單片機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種便攜式無線脈搏血氧檢測儀，采用新型的腕式血氧探頭，用戶佩戴和測量更加方便.文獻(xiàn)［5］提出了一種以MSP430F5529為處理器，TI AFE4400為血氧模擬前端芯片的反射式脈搏血氧飽和度檢測方案.文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)一種以MAX30102血氧飽和度和心率的集成芯片為傳感器，nRF52832為微處理器的穿戴式血氧飽和度檢測系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確性高的特點(diǎn).

本文采用價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大的STM 32單片機(jī)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款智能型血氧檢測儀，原理簡單、測量結(jié)果準(zhǔn)確，為新冠肺炎、心腦血管等疾病的早期篩查、預(yù)防干預(yù)提供科學(xué)有效的技術(shù)手段.

1 智能型血氧檢測儀設(shè)計(jì)

1.1 檢測原理

根據(jù)Beer-Lambert定律，不同波長紅外光的吸光度變化率之比值R/IR與動(dòng)脈血氧飽和度（SaO2）的函數(shù)關(guān)系為線性關(guān)系［7］.檢測儀通過檢測充血人體末梢組織，如手指或耳垂等部位的R/IR值計(jì)算動(dòng)脈血氧飽和度（SaO2）.

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件原理如圖1所示，微控制器采用STM 32單片機(jī)，型號(hào)為STM 32F103C8T 6.硬件包括血氧模塊、電源模塊、按鍵模塊、存儲(chǔ)模塊、語音模塊等模塊，以實(shí)現(xiàn)血氧飽和度檢測、語音播報(bào)、LCD顯示等功能.

圖1 硬件原理圖

（1）血氧模塊

血氧模塊采用MAX30102，如圖2所示，VCC和GND分別接單片機(jī)的電源和地；SCL、SDA是標(biāo)準(zhǔn)IIC接口，內(nèi)部已接上拉電阻；INT為中斷引腳，低電平有效，可查詢該引腳來判斷MAX30102數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好.

圖2 血氧模塊

（2）電源電路

電源電路采用兩個(gè)AMS1117-3V3穩(wěn)壓芯片，將外部輸入的6 V電壓穩(wěn)壓到3.3 V.配置四個(gè)電容對電源濾波使電壓穩(wěn)定，通過兩個(gè)上拉電阻接入兩個(gè)LED，作為指示燈，如圖3所示.

圖3 電源電路

（3）按鍵電路

將STM 32單片機(jī)3個(gè)GPIO端口連接到3個(gè)按鍵，構(gòu)成按鍵電路，如圖4所示.3個(gè)按鍵分別是開關(guān)、設(shè)置和記憶功能，其中開關(guān)按鍵控制系統(tǒng)電路通斷，設(shè)置按鍵可設(shè)置單位和開關(guān)聲音，記憶按鍵控制EEPROM數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示.

圖4 按鍵電路

（4）存儲(chǔ)電路

將STM 32的兩個(gè)引腳與EEPROM的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線相連構(gòu)成存儲(chǔ)電路，如圖5所示.電路采用濾波電容穩(wěn)定芯片電壓.通過記憶按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ).

圖5 存儲(chǔ)電路

（5）藍(lán)牙模塊

采用低功耗HC-08藍(lán)牙模塊.通過調(diào)用微信小程序中藍(lán)牙連接模塊的API實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

包括嵌入式系統(tǒng)C語言程序設(shè)計(jì)和微信小程序設(shè)計(jì).嵌入式系統(tǒng)編譯平臺(tái)為Keil.微信小程序采用騰訊官方的微信開發(fā)者工具.

（1）血氧檢測模塊

利用AT指令集向血氧模塊發(fā)送開始測量、結(jié)束測量等指令.利用switch語句，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析封裝，再通過藍(lán)牙發(fā)送解析后的數(shù)據(jù)，將血氧數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash上，通過記憶按鍵存儲(chǔ)、顯示血氧歷史數(shù)據(jù).

（2）按鍵檢測模塊

通過Key_Read按鍵檢測函數(shù)，讀取鍵值.函數(shù)中調(diào)用HAL_GPIO_ReadPin（）函數(shù)接口.利用3個(gè)if條件語句，循環(huán)檢測是否有按鍵按下，利用key_num變量標(biāo)記鍵值.

（3）微信小程序

微信小程序基于JavaScript、HTML兩種語言以及CSS樣式開發(fā).血氧檢測儀通過HC-08藍(lán)牙和手機(jī)進(jìn)行匹配，然后建立數(shù)據(jù)連接.微信小程序接收到數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在軟件界面進(jìn)行顯示.同時(shí)將數(shù)據(jù)保存到云數(shù)據(jù)庫，便于異地查詢和歷史數(shù)據(jù)查詢.軟件流程圖如圖6所示，采用豐富的AT指令，減少項(xiàng)目開發(fā)的難度，有利于研發(fā)并投放市場.

圖6 軟件流程圖

（4）云儲(chǔ)存

利用微信小程序的云服務(wù)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫.數(shù)據(jù)采用鍵值對的格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在處理數(shù)據(jù)頁面，將接收數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間賦值給出變量，調(diào)用云數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)API，將數(shù)據(jù)存到創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫中.

3 系統(tǒng)測試

3.1 硬件測試

按下電源按鍵，打開智能型血氧檢測儀.使用夾具夾住手指，按下開始按鍵，血氧檢測儀開始測量.結(jié)束后，測量結(jié)果在LCD屏幕上進(jìn)行顯示.為得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量結(jié)果，要求測量過程保證時(shí)長.測量結(jié)束后，通過HC-08藍(lán)牙模塊將測量的血氧數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)中的微信小程序進(jìn)行顯示和存儲(chǔ).

硬件電路連線測試效果如圖7所示.

圖7 硬件測試效果圖

3.2 軟件測試

利用微信小程序?qū)⒀鯔z測儀通過藍(lán)牙協(xié)議傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.設(shè)置監(jiān)聽函數(shù)、監(jiān)聽數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存到數(shù)組中.數(shù)據(jù)可通過小程序顯示，如果按再測一次按鈕，可把當(dāng)前的數(shù)據(jù)清空，微信小程序?qū)⒗^續(xù)監(jiān)聽、接收傳過來的數(shù)據(jù).測量結(jié)果如圖8所示.

圖8 血氧儀測量結(jié)果

4 結(jié)論

基于STM 32單片機(jī)、HC-08藍(lán)牙模塊，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種智能型血氧檢測儀.可通過手機(jī)上的微信小程序便捷、準(zhǔn)確地得到人體血氧飽和度，并查詢歷史數(shù)據(jù).該研究可服務(wù)新冠肺炎等疾病的早期篩查、健康監(jiān)測，保護(hù)人民群眾的身體健康.