個(gè)人健康物聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

梁家耀，黃用忠，劉國(guó)志，張蕙玲，向 榮

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

有效的健康監(jiān)護(hù)服務(wù)是降低慢性病死亡率和國(guó)家醫(yī)療費(fèi)用支出的有效手段。當(dāng)前，市場(chǎng)上的人體健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在移動(dòng)性、擴(kuò)展性和實(shí)時(shí)性等方面的不足，因此我們研制了一種可以隨時(shí)隨地監(jiān)護(hù)個(gè)人健康的物聯(lián)網(wǎng)云監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由采集控制端、云服務(wù)平臺(tái)和PC上位機(jī)組成，其設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案

采集控制端以STM32為主控芯片，配合檢測(cè)傳感器組裝成手環(huán)，采集人體的溫度、血壓和脈搏參數(shù)，使用WiFi模塊將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議上傳到百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，數(shù)據(jù)以JSON格式傳輸。百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相當(dāng)于數(shù)據(jù)的“中轉(zhuǎn)站”，最終將數(shù)據(jù)推送給PC上位機(jī)。PC上位機(jī)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后顯示在PC界面。醫(yī)生可在PC上位機(jī)界面查看采集的數(shù)據(jù)、設(shè)置各項(xiàng)數(shù)據(jù)的閾值、遠(yuǎn)程發(fā)送提醒短信等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 采集方法

本項(xiàng)目采用MKB0908模塊對(duì)人體溫度、脈搏和血壓參數(shù)進(jìn)行采集。該采集模塊主要由YK1801脈搏傳感器芯片、HR6707脈搏芯片、HR6816增益芯片、SFB9712算法芯片和WD3703溫度傳感器組成。該模塊可實(shí)現(xiàn)的功能包括：溫度測(cè)量、心率血壓采集計(jì)算、脈搏波和心電波形輸出、脫離佩戴識(shí)別、人體體表溫度監(jiān)測(cè)、HRV-PNN50輸出等。測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框圖

2.1 血壓測(cè)量方案

使用YK1801脈搏傳感器采集脈搏波形，采用光電式容積脈搏波描記（PPG）的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過(guò)模擬前端芯片 HR607+HR6816 取得PPG對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)之間的時(shí)間差即脈搏傳輸時(shí)間（PTT），使用算法芯片SFB9712 計(jì)算血壓。人體血壓的升降有2種情況，一種為身體自然生理狀態(tài)下，另一種為藥物作用狀態(tài)下。人體自然狀態(tài)下的血壓升高，我們所使用的模塊可以有效跟隨，而對(duì)于高血壓病人吃藥導(dǎo)致的血壓降低或者升高，其血壓的測(cè)量存在不確定性。在這種情況下，通過(guò)和病人的校正值進(jìn)行比較，如果測(cè)量的血壓值大于高壓校正值20 mmhg便進(jìn)行報(bào)警提醒。

2.2 溫度測(cè)量方案

WD3703溫度小板與MKB0908模塊的接口J1連接，形成溫度傳感器。使溫度小板上的WD3703傳感器芯片測(cè)量面接觸手腕皮膚，采集該處皮膚的實(shí)際溫度，通過(guò)GPIO接口和SFB9712算法芯片連接，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行溫度補(bǔ)償，最終得到體溫值。

2.3 脈搏測(cè)量方案

使用YK1801脈搏傳感器采集脈搏波，波形采用光電式容積脈搏波描記（PPG）方式感應(yīng)并提取人體脈搏波。由于脈搏波（PPG）信號(hào)微弱，為獲得穩(wěn)定且有效的信號(hào)，我們需要確保傳感器接觸面和人體皮膚能夠穩(wěn)定可靠的接觸，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)式手環(huán)。

得到的參數(shù)通過(guò)WiFi模塊傳入STM32F103ZET6單片機(jī)進(jìn)行整合處理。

3 云數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)選擇的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境為百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使用MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MQTT 是一種低開(kāi)銷、低帶寬占用和為遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠消息服務(wù)的即時(shí)通信協(xié)議。它最大的優(yōu)點(diǎn)是基于訂閱/發(fā)布機(jī)制，在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式移動(dòng)設(shè)備中廣泛應(yīng)用。MQTT 可以扮演3種不同的角色：發(fā)布者、訂閱者和服務(wù)器。百度智能云天工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供了固定IP和端口的MQTT 服務(wù)器作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)了云存儲(chǔ)功能。

本系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息管理，建立用戶的個(gè)人健康檔案。信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其由參數(shù)信息、異常參數(shù)信息、用戶基本信息和賬號(hào)信息組成。參數(shù)信息是用戶每一次檢測(cè)的數(shù)據(jù)信息，檢測(cè)的參數(shù)包括體溫、血壓、脈搏。異常信息則是檢測(cè)各參數(shù)超出閾值的異常信息。系統(tǒng)信息是用戶的基本信息和賬戶信息，用戶基本信息包括ID、姓名、電話號(hào)碼、家屬姓名和家屬電話號(hào)碼。賬戶信息則是用戶登錄系統(tǒng)的賬戶密碼等信息。

圖3 信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)中建立了4個(gè)表：參數(shù)表、異常參數(shù)表、用戶信息表和賬戶信息表，其參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1 參數(shù)表

4 PC上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件選取Qt軟件，Qt具有跨平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用廣泛。PC上位機(jī)的Qt界面主要由用戶注冊(cè)登錄、服務(wù)器鏈接、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)庫(kù)查看4部分組成，如圖4所示。用戶注冊(cè)登錄，驗(yàn)證合格后才可以進(jìn)入系統(tǒng)。服務(wù)器鏈接用于設(shè)置連接相應(yīng)的云服務(wù)器。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要顯示血壓、體溫、脈搏數(shù)據(jù)，從云平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)后進(jìn)行JSON解析，并將數(shù)據(jù)的變化以折線圖的形式展示。數(shù)據(jù)庫(kù)查看用于用戶查詢、增加、刪除和刷新病患資料。

圖4 Qt界面組成

5 結(jié)果演示

（1）將采集數(shù)據(jù)的智能手環(huán)充滿電，并穿戴在人體上，然后啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)；

（2）打開(kāi)PC上位機(jī)軟件，進(jìn)入登錄注冊(cè)界面，選擇注冊(cè)，如圖5（a）所示；

圖5 演示結(jié)果

（3）填寫用戶名和密碼后，點(diǎn)擊“下一步”，完成注冊(cè)，再進(jìn)入登錄界面，如圖5（b）所示；

（4）完成登錄后進(jìn)入連接服務(wù)器界面，如圖5（c）所示；

（5）設(shè)置服務(wù)器連接，連接成功后進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖5（d）所示，折線圖實(shí)時(shí)顯示該患者的數(shù)據(jù)變化；

（6）點(diǎn)擊“查看患者信息”進(jìn)入患者資料信息界面，如圖5（e）所示，可對(duì)患者資料進(jìn)行相關(guān)操作。

6 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用單片機(jī)通過(guò)傳感器采集人體的生命體征參數(shù)，再借助WiFi模塊連接百度云服務(wù)器，通過(guò)MQTT協(xié)議連接上位機(jī)。借助上位機(jī)可以查看病人的生命體征，以及病人注冊(cè)的信息等，同時(shí)醫(yī)生可對(duì)多個(gè)病人的體溫、脈搏、血壓設(shè)置閾值，當(dāng)超出閾值范圍時(shí)及時(shí)提醒醫(yī)生。通過(guò)全面的健康監(jiān)控和健康管理，能夠幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決健康問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)智能化醫(yī)療與移動(dòng)健康事業(yè)的發(fā)展提供參考。