基于WiFi 的遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

葉琦，趙玉榮，豆全輝，張俊龍，張洪偉

（安徽新華學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

近年來(lái)，健康系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用明顯增加，主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及緊急情況下與護(hù)理人員通信等領(lǐng)域。使用WiFi，我們可以輕松設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的系統(tǒng)，進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視患者的狀況。可以在正?；蚓o急情況下如在家中、病房以及重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）中及時(shí)了解患者周圍的環(huán)境和自身健康程度。

1 系統(tǒng)工作原理

■1.1 功能要求

本設(shè)計(jì)采用STM32 單片機(jī)作為主控MCU，利用WiFi傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性進(jìn)行雙機(jī)通信，在從機(jī)采集板上安裝溫濕度傳感器DHT11、PM2.5 傳感器、煙霧傳感器以及心率傳感器，還有四個(gè)按鍵，兩個(gè)繼電器，而在主機(jī)板上則有兩個(gè)按鍵電路、一個(gè)蜂鳴器電路和一個(gè)LCD12864 液晶顯示模塊。

具體實(shí)現(xiàn)如下的功能：

(1)從機(jī)采集板實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度、PM2.5 濃度、煙霧濃度以及病人心率進(jìn)行采集并通過(guò)WiFi 傳輸?shù)街鳈C(jī)；

(2)從機(jī)采集板的四個(gè)按鍵可以實(shí)現(xiàn)呼叫功能傳輸?shù)街鳈C(jī)板并通過(guò)蜂鳴器提醒和液晶顯示屏顯示相應(yīng)的按鍵序號(hào)；

(3)主機(jī)板可以將收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD12864液晶顯示器上；

(4)主機(jī)板的兩個(gè)按鍵可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)繼電器的分別控制。

■1.2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用的是基于Arm?Cortex?-M 處理器的STM32系列單片機(jī)。它提供的產(chǎn)品結(jié)合了高性能，實(shí)時(shí)功能，數(shù)字信號(hào)處理，低功率/低壓操作和連接性，同時(shí)保持了完全集成和易于開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)分為從機(jī)采集板和主機(jī)操作板，從機(jī)采集板將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5 濃度、煙霧濃度以及心率通過(guò)WiFi 傳輸?shù)綇臋C(jī)操作板，并通過(guò)LCD 顯示出來(lái)，如果有數(shù)據(jù)異常，主機(jī)操作板的蜂鳴器會(huì)報(bào)警提醒[1]。從機(jī)采集板的四個(gè)按鍵分辨代表四個(gè)床位，每按下一個(gè)按鍵，主機(jī)操作板上的蜂鳴器也會(huì)做作響且液晶屏上顯示相應(yīng)的床位號(hào)。從機(jī)采集板共有兩個(gè)繼電器，充當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)，分別控制空氣凈化設(shè)備和加濕器，以便于更好的改善室內(nèi)環(huán)境。具體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案框圖

2 功能模塊介紹

■2.1 煙霧濃度采集電路

煙霧檢測(cè)報(bào)警器是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制路[2]。

MQ-2 型煙霧探測(cè)器是屬于對(duì)二氧化錫半導(dǎo)體氣體敏感的材料，屬于具有離子表面的N 型半導(dǎo)體。二氧化錫在200-300 攝氏度下從空氣中吸收氧氣并形成負(fù)氧離子，這樣能夠降低半導(dǎo)體的電子密度，從而增加其電阻。與煙接觸時(shí)，表面電導(dǎo)率會(huì)隨著煙氣調(diào)節(jié)改變對(duì)晶界的潛在障礙而發(fā)生變化。有了這些信息，就可以知道這種煙霧的存在。密度越高的煙霧，其電導(dǎo)率就越高，輸出的電阻就越低，并且模擬信號(hào)輸出也越高。使用MQ-2 煙霧傳感器檢測(cè)火災(zāi)煙霧的最佳方法是將其輸出電壓與閾值電壓進(jìn)行比較（閾值電壓需要進(jìn)行煙霧測(cè)試）。MQ-2 的計(jì)算公式：阻值R 與空氣中被測(cè)氣體的濃度C 的計(jì)算關(guān)系式如公式1：

常數(shù)n：與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會(huì)由于測(cè)量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。

常數(shù)m：表示隨氣體濃度而變數(shù)的傳感器的靈敏度（也稱作為氣體分離率）。對(duì)于可燃性氣體來(lái)說(shuō)，m 的值多數(shù)介于1/2 至1/3 之間。

■2.2 溫濕度檢測(cè)電路

DHT11 通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電阻來(lái)檢測(cè)水蒸氣，濕度感測(cè)部件具有在其表面上施加電極的水分保持基板。當(dāng)水蒸氣被襯底吸收時(shí)[3]，離子被襯底釋放，這增加了電極之間的導(dǎo)電性。兩個(gè)電極之間的電阻變化與相對(duì)濕度成正比，較高的相對(duì)濕度會(huì)降低電極之間的電阻，而較低的相對(duì)濕度會(huì)增加電極之間的電阻。DHT11 模塊在系統(tǒng)中的電路圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測(cè)電路

DHT11 通過(guò)內(nèi)置在單元中的表面安裝NTC 溫度傳感器（熱敏電阻）來(lái)測(cè)量溫度。DHT11 溫濕度傳感器的一些工作參數(shù)如下。濕度范圍：20-90%RH；濕度精度：±5%RH；溫度范圍：0-50°C；溫度精度：±2%°C；工作電壓：3V 至5.5V。DHT11 測(cè)量相對(duì)濕度。相對(duì)濕度是空氣中水蒸氣的量相對(duì)于空氣中水蒸氣的飽和點(diǎn)。在飽和點(diǎn)，水蒸氣開(kāi)始凝結(jié)并積聚在形成露水的表面上。飽和點(diǎn)隨氣溫變化。冷空氣在飽和之前可以容納較少的水蒸氣，而熱空氣在飽和之前可以容納較多的水蒸氣。

■2.3 心率監(jiān)測(cè)電路

脈率心率傳感器是用于測(cè)試心率的傳感器，本質(zhì)上是具有集成放大器和噪聲消除電路的光學(xué)心率傳感器。該傳感器可用于開(kāi)發(fā)與心率有關(guān)的交互式任務(wù)，傳感器可以戴在手指或耳垂上，光電傳感器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此設(shè)備要求將手指放在傳感器撥盤(pán)上。光電傳感器是光學(xué)心率傳感器，集成了放大電路和噪聲消除電路。光電傳感器上的發(fā)光二極管發(fā)光通過(guò)脈沖，檢測(cè)指尖和耳垂處定期更改的動(dòng)脈血量[4]，同時(shí)穿過(guò)指尖的光強(qiáng)度也會(huì)更改。心率檢測(cè)模塊整體電路如圖3 所示。脈搏心率傳感器模塊接口原理圖如圖4所示。

圖3 心率監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4 脈搏心率傳感器模塊接口

■2.4 WiFi 傳輸模塊

MOD-WiFi-ESP8266 是UEXT 擴(kuò)展模塊，帶有著名的ESP8266 UART 轉(zhuǎn)WIFI IC。通過(guò)此模塊，可以為具有UEXT 連接器的其他Olimex 開(kāi)發(fā)板添加WIFI 功能。帶有已安裝的2MB SPI 閃存。MOD-WiFi-ESP8266 是將其用作現(xiàn)有Olimex 板的簡(jiǎn)單硬件擴(kuò)展。這就是為什么它具有UEXT連接器。將其插入具有UEXT 連接器的另一塊板上，并且硬件連接已完成即可實(shí)現(xiàn)功能。WiFi模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 WiFi 傳輸模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是通過(guò)WiFi 連接主從機(jī)，從機(jī)進(jìn)行對(duì)環(huán)境溫濕度、PM2.5 濃度、煙霧濃度和心率的檢測(cè)，通過(guò)WiFi發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)上，并通過(guò)LCD12864 液晶顯示器顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。并且從機(jī)本身可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境PM2.5 的調(diào)節(jié)和環(huán)境濕度的調(diào)節(jié)。如果上述所有數(shù)據(jù)中的一個(gè)發(fā)生異常，從機(jī)系統(tǒng)將通過(guò)WiFi 傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，從機(jī)設(shè)有四個(gè)按鍵分別代表四個(gè)床位的設(shè)計(jì)，有尋呼的功能，主機(jī)的兩個(gè)按鍵分別控制從機(jī)兩個(gè)繼電器的開(kāi)關(guān)以用來(lái)控制空氣凈化設(shè)備和加濕器的開(kāi)啟與關(guān)閉。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 實(shí)物測(cè)試

■4.1 心率檢測(cè)功能測(cè)試

由于心率檢測(cè)電路采用的是光學(xué)檢測(cè)，所以當(dāng)指尖放在心率檢測(cè)模塊頂端時(shí)，我們可以看到LM393 比較器上面的綠色指示燈在閃爍，這就是比較器比較之后的結(jié)果，說(shuō)明正在進(jìn)行對(duì)心率的采集工作。從機(jī)的STM32 主控將會(huì)對(duì)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并顯示在主機(jī)設(shè)備上，如果主機(jī)液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，說(shuō)明測(cè)試成功。此時(shí)我們將指尖不斷地輕輕且快速拍擊傳感器，用來(lái)模擬心率過(guò)快的現(xiàn)象，如果主機(jī)上的蜂鳴器發(fā)出聲響，說(shuō)明閾值設(shè)置成功，主機(jī)平臺(tái)可以自行判斷心率是否正常并向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出報(bào)警信息。經(jīng)測(cè)試，功能正常運(yùn)行，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 心率檢測(cè)功能測(cè)試

■4.2 煙霧濃度檢測(cè)功能測(cè)試

MQ-2 煙霧濃度檢測(cè)模塊檢測(cè)的是空氣中可燃?xì)怏w的濃度，不同于PM2.5 模塊檢測(cè)的是空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物[5]。對(duì)于MQ-2 的測(cè)試，可以用打火機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，首先將打火機(jī)靠近傳感器，然后輕微的放出氣體，觀察主機(jī)中的煙霧濃度變化，以判斷功能是否正常，如果煙霧濃度過(guò)高，主機(jī)是否會(huì)發(fā)出警報(bào)。經(jīng)判斷，功能運(yùn)行正常，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 煙霧檢測(cè)功能測(cè)試

■4.3 病床呼叫和繼電器控制功能測(cè)試

在從機(jī)采集板中，有四個(gè)按鍵用來(lái)模擬病房中的四個(gè)床位，每當(dāng)一個(gè)按鍵按下之后，在主機(jī)的液晶顯示屏中將會(huì)準(zhǔn)確的顯示相應(yīng)的床位號(hào)，以便于醫(yī)護(hù)人員更好的判斷是哪個(gè)床位在呼叫，當(dāng)呼叫發(fā)生時(shí)，主機(jī)的蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響以便于更好的提醒醫(yī)護(hù)人員。當(dāng)主機(jī)觀察到空氣中PM2.5 的含量過(guò)高或環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，醫(yī)護(hù)人員可以通過(guò)主機(jī)中的兩個(gè)按鍵分別控制兩個(gè)繼電器，兩個(gè)繼電器分別接入空氣凈化器和加濕器，用來(lái)調(diào)整病房的環(huán)境。經(jīng)過(guò)測(cè)試，兩項(xiàng)功能正常，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 病床呼叫和繼電器控制功能測(cè)試