家庭健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

鄧保青，吳德林

（廣州理工學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510540）

0 引言

我國人口數(shù)量世界第一，由于基數(shù)大，每年的凈人口增長數(shù)量龐大。特別是隨著我國人口老齡化的到來，老年人口數(shù)量的增長已經(jīng)超過了每年出生的新生兒人口數(shù)量。家庭健康檢測系統(tǒng)是為了填補(bǔ)這方面的空缺，盡可能的提高老年人的生活質(zhì)量。它能夠為病人或家中的老人在正式就醫(yī)前提供一個前期診斷的基本數(shù)據(jù)，縮小病人排查的范圍，節(jié)約不必要檢查的費用。

傳感器技術(shù)的發(fā)展日新月異，并被應(yīng)用在許多領(lǐng)域，近些年，國外醫(yī)學(xué)界基于傳感器技術(shù)的新型人體生理信號監(jiān)測儀也取得了突破性進(jìn)展：把傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在如衣服一樣的織物上，這件特殊的衣物外觀上與普通衣物無異，只是當(dāng)人們穿上這件衣物時，衣服上的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)就會把他的各種生理信號以數(shù)據(jù)的形式傳送到 PC系統(tǒng)中，PC系統(tǒng)則不間斷的進(jìn)行持續(xù)記錄并甄別，若是人體的生理信號出現(xiàn)異常，PC系統(tǒng)便立即發(fā)出示警。它還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，傳感器采集到的人體數(shù)據(jù)經(jīng)由局域網(wǎng)傳輸至 Internet上。但由于某種原因，此種新型的發(fā)明并沒有被大量投入使用。

人體生理監(jiān)護(hù)儀對醫(yī)學(xué)界、甚至于整個人類而言，都是一項非常重要的發(fā)明，自上世紀(jì)六十年代面世以來，就深得世界醫(yī)療各界的青睞，紛紛投入大量人力物力對人體監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，使得監(jiān)護(hù)系統(tǒng)得到持續(xù)發(fā)展及廣泛普及，醫(yī)院興建的冠心病監(jiān)護(hù)病房，重癥監(jiān)護(hù)室，腦疾患者監(jiān)護(hù)室等讓世界各國的重癥患者受益無窮，其它的一些普通患者，比如手術(shù)室、分娩室、康復(fù)室等普通的?？撇》康牟∪?，也能得到更加及時有效的監(jiān)護(hù)。綜上所述，家庭健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，市場前景廣闊，具有一定的研發(fā)價值。

1 系統(tǒng)功能及設(shè)計方案

本設(shè)計是基于嵌入式 STM32家庭健康檢測系統(tǒng)的研發(fā)，主要是根據(jù)人體的生理信號對人的身體進(jìn)行健康檢測。人體蘊(yùn)含的健康信息包括血壓、心電、脈搏、體溫、血氧飽合度、及有創(chuàng)血壓、腦電、眼電視網(wǎng)膜電、心輸出量、呼吸二氧化碳、胃電、眼震電等信號。實時、連續(xù)、長時間的生命體征監(jiān)測是醫(yī)學(xué)上重要生理參數(shù)。該系統(tǒng)有人體溫度檢測、心率、步數(shù)記錄等模塊，不僅可以測量人體體溫，有助于防控疫情，還可以測心率，心率的變化能反映人體多方面的健康狀態(tài)。其攜帶方便，檢測靈活，成本價格低廉是本設(shè)計的特點。系統(tǒng)各模塊所測生理參數(shù)送至STM32后進(jìn)行信號的處理、然后通過無限裝置發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)從而進(jìn)行顯示和報警提示，對老人的健康監(jiān)測有很大幫助[1]。

1.1 系統(tǒng)功能

家庭健康檢測系統(tǒng)的研發(fā)主要做到以下功能：（1）采用 STM32F103C8T6作為主控芯片，采用體溫、心率、計步等模塊進(jìn)行身體健康信號采集；（2）可以用按鍵設(shè)置心率和體溫的上、下限報警值，并具有掉電保存；（3）LCD1602液晶第一行顯示當(dāng)前的心率和體溫，第二行顯示設(shè)定的上、下限報警值；（4）利用無線模塊進(jìn)行傳輸?shù)绞謾C(jī)APP顯示數(shù)值，主機(jī)上測到的心率或體溫超出設(shè)置心率上下限范圍時，主機(jī)蜂鳴器和指示燈產(chǎn)生聲光報警提示。

1.2 總體設(shè)計方案

家庭健康檢測系統(tǒng)主要由以下功能模塊組成：STM32F103C8T6開發(fā)板、總電源供電電路、時鐘晶振電路、復(fù)位電路、LCD1602液晶顯示屏電路、ADXL345計步檢測傳感器電路、DS18B20溫度傳感器電路、心率光電檢測傳感器、ESP8266-WiFi模塊。智能家庭健康檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[2]如圖 1所示。

圖1 智能家庭健康檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 structure diagram of intelligent home health detection system

主控芯片：STM32控制芯片由意法半導(dǎo)體ST公司貢獻(xiàn)的32位微處理器，如圖2所示，可進(jìn)行實時仿真及追蹤，功耗控制能力卓越，外設(shè)更是超凡出眾，創(chuàng)新力十足。產(chǎn)品做到了最大程度的集成整合，讓開發(fā)變得簡單易用。綜合考慮設(shè)計的難易程度、實物成本以及對資源的合理分配等因素，采用STM32核心控制作為該系統(tǒng)主控模塊[3]。

圖2 STM32核心控制模塊Fig.2 STM32 core control module

體溫傳感器：由于本次設(shè)計需要非接觸式的傳感器，非接觸式測溫儀常見的大多為紅外線測溫儀，它是用不等溫黑體作為其測量的校準(zhǔn)源，紅外線測溫儀容易受外界條件的干擾，比如空氣中的各類介質(zhì)，儀器所配透鏡上的衛(wèi)生條件、磨損、被測對象的輻射率，測量時距離被測物的遠(yuǎn)近，甚至是周圍環(huán)境的溫度等都會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。 雖然如此，但由于其技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定且成本造價低，還是受到了廣大用戶的喜愛，應(yīng)用非常廣泛。此次設(shè)計選擇TN901紅外測溫傳感器，不用接觸人體就可以得出溫度，該模塊的測溫范圍-20度到1300度，可以調(diào)節(jié)任意度數(shù)，主要通過測量人體的紅外射線發(fā)出來的強(qiáng)度進(jìn)行測量溫度[4]。實物圖如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度傳感器Fig.3 DS18B20 temperature sensor

WiFi模塊：選擇ESP8266作為WiFi通信模塊。這種技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)最大的不同就在于WiFi是包含在WLAN無線局域網(wǎng)范疇之內(nèi)，可同步對多個終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳送速率最高可達(dá)11 Mbps；而藍(lán)牙則屬于WPAN無線局域網(wǎng)范疇，它只能進(jìn)行點對點的數(shù)據(jù)輸送。而且WiFi覆蓋范圍更廣，可達(dá)百米遠(yuǎn)。WiFi使用的是DSSS直序列擴(kuò)頻及QPSK，其帶寬為22MHz。其協(xié)議為局域網(wǎng)協(xié)議IEEE802.11b。ESP8266WiFi模塊如圖4所示。

圖4 ESP8266WiFi模塊Fig.4 ESP8266WiFi module

心率模塊：選擇 XD-58C心率傳感器來測量心率信號。脈搏傳感器采用集成技術(shù)，把放大電路與噪聲消除電路集成于一體，是一款光學(xué)心率傳感器，Arduino使用它來測量心跳速率，使用方便簡單。使用時可以把它置于手指或是耳垂上，再利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線連接到 Arduino上，通過一個開源的APP，使用者的心率便會即時的以圖線的形式顯示出來。不管是學(xué)生、運動員、藝術(shù)家、移動終端開發(fā)人員等都可以使用它進(jìn)行二次開發(fā)，制作出與心率相關(guān)的互動產(chǎn)品。電源電壓 3至 5伏特即可。XD-58C心率傳感器實物如圖 5所示[5]。

根據(jù)隱喻以轉(zhuǎn)喻為基礎(chǔ)這一思想（Taylor 1989），Goossens（1990）提出了隱轉(zhuǎn)喻這一概念，它是隱喻和轉(zhuǎn)喻這兩種不同運行機(jī)制相互作用的產(chǎn)物。Goossens從語料中發(fā)現(xiàn)了一些隱喻和轉(zhuǎn)喻互動關(guān)系，但其中只有兩種關(guān)系證明是較為普遍的（Evans 2007：141），這就是“源于轉(zhuǎn)喻的隱喻”（metaphor from metonymy）和“隱喻內(nèi)含轉(zhuǎn)喻”（metonymy within metaphor）。下面我們通過兩個例句來說明這兩種關(guān)系。

圖5 XD-58C心率傳感器Fig.5 XD-58C heart rate sensor

計步模塊：選擇傾角傳感器 ADXL345作為計步模塊。ADXL345是一種三軸加速度傳感器。該加速度傳感器具有分辨率高、量程可變的特點，而且其功耗低、尺寸小、靈敏度高，具有廣泛的應(yīng)用范圍。ADXL345模塊如圖6所示。

圖6 ADXL345模塊Fig.6 ADX.L345 module

主要完成的工作如下：重力角度檢測通常是在結(jié)束上電后展開的，它推算出總的行走步數(shù)后，再換數(shù)出行走的總里程數(shù)；在STM32的指揮控制之下，LCD1602在屏幕上動態(tài)展示出使用者正行走的步數(shù)數(shù)據(jù)及里程數(shù)，而第二行展示的則是已經(jīng)完成的步數(shù)及完成的里程數(shù)；液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)是由溫度傳感器 DS18B20收集并輸送過來的溫度數(shù)據(jù)；液晶顯示屏幕上還會實時展示心率光電檢測傳感器監(jiān)測到的心率脈搏數(shù)據(jù)；如果需要進(jìn)行新一輪的檢測，可以進(jìn)行清零操作，按下板載復(fù)位開關(guān)鍵就可以進(jìn)行；系統(tǒng)配備無線傳輸功能，用戶可隨時開啟該功能并上傳到手機(jī)APP，方便用戶使用手機(jī)查看數(shù)據(jù)；需要完成電路圖、程序圖和各個模塊子程序，完成仿真調(diào)試，完成樣品制作。

1.3 系統(tǒng)電路設(shè)計

STM32系列控制芯片耗能小價格低，在能完全滿足設(shè)計條件的前提之下，還能有富余的接口及功能，為系統(tǒng)所需的其它實驗項目進(jìn)行外圍電路拓展提供了條件。

（1）STM32核心控制板接口電路圖如圖 7所示。

圖7 STM32核心控制板接口原理圖Fig.7 interface schematic diagram of STM32 core control board

（2）心率傳感器電路設(shè)計，Pulsesensor心率傳感器模塊接口原理圖如圖8所示。

圖8 Pulsesensor脈搏心率傳感器接口原理圖Fig.8 Pulsesensor pulse heart rate sensor interface schematic

接口說明：1+：外接5 V；2-：外接GND；3S：輸出接口（0和1）。

圖9 心率脈搏傳感器輸出波形圖Fig.9 output waveform of heart rate pulse sensor

由圖9可以看出，其波形信號并非為標(biāo)準(zhǔn)方波信號，為方便檢測，可以利用波形比較器LM393將傳感器輸出的波形信號過濾成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。LM393比較器模塊對脈搏傳感器模塊濾波的電路原理圖如圖10所示，通過LM393比較器模塊濾波后的波形圖如圖11所示。

圖10 心率檢測電路原理圖Fig.10 schematic circuit diagram of heart rate detection

圖11 LM393后輸出的波形圖Fig.11 waveform of output after LM393

（3）計步模塊電路設(shè)計，ADXL345模塊接口圖如圖12所示。

圖12 ADXL345模塊接口圖Fig.12 interface diagram of ADXL345 module

（4）電源模塊電路，電源模塊采用了芯片L7805CV。這款型號為L7805CV的電子元件，是一種線性穩(wěn)壓芯片，屬于電源芯片。它內(nèi)含限流保護(hù)電流，可以有效防止負(fù)載短路燒毀元件，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。穩(wěn)壓電路如圖13所示。

圖13 穩(wěn)壓電路Fig.13 voltage regulator circuit

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)編程語言選擇C語言，程序編程環(huán)境選擇keil uVision5。利用軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。C語言程序設(shè)計其強(qiáng)大的功能、超高的效率及靈活方便，其語言直觀，可閱讀性強(qiáng)并方便移植。各個模塊編譯完成后，uVision環(huán)境提供集成功能，把模塊組合成一個整體。系統(tǒng)程序運行流程圖如圖 14所示[7]。

圖14 主流程圖Fig.14 main flow diagram

2 系統(tǒng)調(diào)試和制作

2.1 連接調(diào)試

在以上軟硬件的設(shè)計完成后，采集端硬件選用了PCB板，通過按照已繪制的原理圖各模塊管腳連接方式將各器件焊在PCB板上，軟件的程序編譯需理清楚每一層的邏輯單元，在keil軟件上使用仿真軟件對設(shè)計進(jìn)行初步驗證，完成邏輯編譯和調(diào)試，運行無誤后再下載至STM32控制芯片上[8]。

2.2 系統(tǒng)整機(jī)功能調(diào)試

整機(jī)功能調(diào)試首選完成軟件的燒入及測試過程：（1）使用Keil編寫軟件程序；（2）編譯調(diào)試各部分的程序，當(dāng)運行結(jié)果為零錯誤時才算完成程序調(diào)試；（3）調(diào)試達(dá)到預(yù)期后，將調(diào)試好的HEX文件下載到STM32控制芯片中；（4）將調(diào)試好的代碼程序燒錄，通過液晶屏顯示，可以獲悉主控模塊是否可與心率測試等外圍模塊正常通信。

選用人體溫度傳感器、心率脈搏傳感器等組成監(jiān)測點，通過STM32單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)WiFi通信模塊發(fā)送到手機(jī)上存儲。如果數(shù)據(jù)超過警戒值，蜂鳴器就會發(fā)出震動警示。樣品及功能測試如圖15所示[9]。

圖15 樣品及功能測試圖Fig.15 sample and functional test diagram

3 結(jié)論

針對獨自在家可能存在突發(fā)疾病的老人，設(shè)計了一款基于STM32系列家庭健康檢測系統(tǒng)，其攜帶方便，檢測靈活，價格低廉。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r、連續(xù)、長時間地監(jiān)測病人和一些年邁老人的生命體征，并提供重要的醫(yī)學(xué)生理參數(shù)，短時間內(nèi)把體溫，脈搏，血壓的異常發(fā)到當(dāng)事人手機(jī)上，并通過 WiFi通信模塊發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的手機(jī)上以便監(jiān)護(hù)人快捷地采取對策。家庭健康檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊所測生理參數(shù)送至主控制芯片進(jìn)行信號的處理、然后無線發(fā)送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)顯示與報警提示。家庭健康檢測系統(tǒng)的研發(fā)雖然實現(xiàn)其所預(yù)期的各項功能，但并非十全十美，作品還有很大的升級與拓展的空間。該系統(tǒng)可以與智能家居互聯(lián)，通過大數(shù)據(jù)、云計算、5G通信等技術(shù)，與醫(yī)院的通信系統(tǒng)對接，作為移動醫(yī)療的輔助環(huán)節(jié)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離全民健康體系的無線控制。因此家庭健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)對家庭保健儀器方向的研究具有重要的意義。