非接觸式生理參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃政欽，劉銘華，陳文駿

（福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350007）

人體的生理參數(shù)會隨著年齡、身體健康狀態(tài)、性別、生理和心理活動的變化而變化，對人體的生理健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，更好地了解被監(jiān)測人的健康狀況，對于預(yù)防疾病和處理一些突發(fā)生理異常情況具有積極的意義。

目前，常用的生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備基本上是接觸式的，測量設(shè)備會與人的身體部位直接接觸。非接觸式[1]的毫米波雷達(dá)有明顯的優(yōu)勢，可以保護(hù)患者的隱私，不與患者接觸，極大地方便了需要長期連續(xù)進(jìn)行生理參數(shù)監(jiān)測的人群，避免交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，減少了監(jiān)測儀器操作，特別適用于老人、小孩、精神病患者和大面積燒傷患者等的生理參數(shù)監(jiān)測。

設(shè)計(jì)了一款基于毫米波雷達(dá)[2-3]和紅外線技術(shù)的非接觸式生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6 作為主控制器，采用60 G 毫米波生物感知雷達(dá)模塊非接觸地監(jiān)測人體的心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量[4]等生理狀況，采用LU0614 紅外測溫[5-6]模塊進(jìn)行人體體溫的非接觸式監(jiān)測。通過12864 OLED 液晶屏對監(jiān)測到的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)人體的生理參數(shù)超出正常的范圍時(shí)，系統(tǒng)會通過OLED 屏顯示異常，同時(shí)蜂鳴器響來進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提醒監(jiān)護(hù)人員和被監(jiān)測者采取相應(yīng)的措施。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 為系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)圖。系統(tǒng)的電源可以采用3.3 V 穩(wěn)壓電源供電，主控制器采用STM32F103C8T6型號的微控制單元（MCU），溫度傳感器模塊將測量到的體溫?cái)?shù)據(jù)通過串口傳遞給MCU，60 G 毫米波生物感知雷達(dá)模塊通過串口通信將測量到的生理參數(shù)以特定格式數(shù)據(jù)幀的方式傳遞給MCU，在接收到串口發(fā)送的數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，才能得到心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量等生理參數(shù)。MCU 通過SPI 協(xié)議來控制OLED液晶屏的顯示，并通過輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse width modulation wave，PWM）波控制蜂鳴器報(bào)警提示音的開啟和關(guān)閉。

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)電路

系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體公司的ARM Cortex-M3架構(gòu)[7]、型號為STM32F103C8T6 的MCU，主頻為72MHz，封裝采用LQFP48，具有20 kB 的RAM 存儲器，64 kB的FLASH 存儲器。該芯片外設(shè)資源豐富，具有37 個(gè)GPIO，具有SPI、UART、IIC 和PWM 等多種硬件接口，在電源管理方面包含待機(jī)、休眠等多種功耗模式。該芯片性價(jià)比較高，適合于便攜式設(shè)備、醫(yī)療電子儀器、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域。STM32F103C8T6 微處理器構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路由MCU、電源電路、復(fù)位電路和晶振電路等組成，STM32F103C8T6 構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2 所示。

2.2 非接觸式紅外體溫測量

LU90614 是紅外測溫傳感器，可以用來高精度非接觸式地測量人體或物體的溫度。紅外測溫的原理主要是通過被測的人或物體輻射的紅外[8]能量來檢測人體或物體的溫度，具有響應(yīng)速度快、非接觸式、精確度高及應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。

該模塊工作電壓在3.3～5.0 V，工作環(huán)境溫度為-40～125 ℃，采用串口通信協(xié)議。LU90614 模塊的TXD與MCU 的PA10（USART1_Rx）相連，LU90614 模塊的TXD 端與MCU 的PA9（USART1_Tx）相連。波特率設(shè)置為9 600 bps，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

2.3 60 G 毫米波雷達(dá)測量生理參數(shù)

毫米波是波長在1～10 mm 的電磁波。毫米波具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。60 G 或77 GHz 的毫米波雷達(dá)具有檢測小于1 mm 距離的位置移動的能力，因此可以用于人體生理參數(shù)的檢測。毫米波雷達(dá)模塊采用R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊，該模塊由雷達(dá)芯片、微控制器（MCU）和雷達(dá)天線設(shè)計(jì)成的模組，預(yù)留了電源、GND 接口、串口通信接口、GPIO，用于給用戶進(jìn)行二次開發(fā)。

R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊進(jìn)行人體生理參數(shù)監(jiān)測的原理：雷達(dá)發(fā)射頻段為60 GHz 的電磁波，人體被測的部位會發(fā)射電磁波，毫米波雷達(dá)模塊接收人體反射的電磁波信號，并對電磁波信號進(jìn)行解調(diào)，再通過信號放大、濾波、AD 轉(zhuǎn)換等信號處理。毫米波雷達(dá)的MCU 接收解調(diào)后的電磁波信號，并對解調(diào)后的電磁波信號進(jìn)行幅度、頻率、相位等計(jì)算，從而輸出人體的生理參數(shù)，如心率[9]、呼吸率[10]和睡眠質(zhì)量等。R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊具有如下特點(diǎn)。

1）使用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)進(jìn)行生理參數(shù)的測量；

2）呼吸心跳的測量距離為0.4～2 m；

3）提供通用的UART 串口通信協(xié)議，方便開發(fā)者進(jìn)行二次開發(fā)、應(yīng)用；

4）毫米波發(fā)射功率較小，屬于非接觸式無創(chuàng)檢測；

5）不受煙霧粉塵、溫度、濕度和天氣變化等環(huán)境因素的影響。

60 G 毫米波雷達(dá)模塊與STM32F103C8T6 MCU 的連接方式如圖3 所示。

圖3 60 G 毫米波雷達(dá)模塊與MCU 的連接

2.4 生理參數(shù)顯示模塊

OLED 是有機(jī)發(fā)光顯示器，OLED 具有自發(fā)光、視角廣、對比度高、不需要背光燈及制造工藝簡單等特點(diǎn)，常用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、便攜式設(shè)備等。12864 OLED 屏幕的像素是128×64，橫向有128 個(gè)像素點(diǎn)，垂直方向有64 個(gè)像素點(diǎn)，支持任意的字符、圖形、圖標(biāo)顯示，支持SPI 通信接口。系統(tǒng)采用的12864 OLED 屏幕具有7 個(gè)引腳，分別是GND、VCC、D0、D1、RES、DC 和CS。MCU與12864 OLED 屏之間的連接圖如圖4 所示。

圖4 MCU 與12864 OLED 屏之間的連接圖

2.5 蜂鳴器報(bào)警提示電路

蜂鳴器報(bào)警電路如圖5 所示，MCU 的PB13 引腳與BEEP 相連接。

圖5 蜂鳴器報(bào)警提示電路

通過MCU 的PB13 引腳輸出PWM 波來控制蜂鳴器的工作與關(guān)閉。當(dāng)BEEP 輸入低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器開始工作，當(dāng)BEEP 輸入高電平時(shí)，三極管Q1 截止，蜂鳴器停止工作。同時(shí)，由于MCU 的IO 口的電流輸出驅(qū)動負(fù)載的能力有限，三極管9012 具有放大電流的作用，可以提供足夠的電流用來驅(qū)動蜂鳴器正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 芯片作為微控制器，首先需要對主控制器進(jìn)行編程，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。由于LU90614 紅外測溫模塊和R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊分別通過串口USART1、USART3 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要先對USART1、USART3 進(jìn)行初始化、進(jìn)入中斷服務(wù)程序，對LU90614 紅外測溫模塊和R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，從而得到人體的生理參數(shù)，并通過OLED 屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到人體的生理參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器響，報(bào)警提示異常。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.1 人體體溫?cái)?shù)據(jù)幀解析

LU90614 模塊在用于人體體溫測量時(shí)，需要通過程序來配置為體溫測量模式，具體步驟如下。首先，MCU向LU90614 模塊發(fā)送指令0XFA 0XC5 0XBF，使得LU90614 模塊工作在體溫模式；其次，MCU 向LU90614模塊發(fā)送指令0XFA 0XCA 0XC4，LU90614 模塊開始測溫，并將測得的體溫?cái)?shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送給MCU；最后，MCU 將收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，得到體溫?cái)?shù)據(jù)，并發(fā)送給12864 OLED 屏顯示。

數(shù)據(jù)幀的格式為：幀頭+指令+DataH+DataL+保留位1+保留位2+保留位3+保留位4+校驗(yàn)位，其中0XFE 為幀頭，0XAC 代表為體溫模式測到的溫度，DataH 是測到溫度的整數(shù)位，DataL 是測到溫度的小數(shù)位。假定收到的數(shù)據(jù)幀為0XFE 0XAC 0X24 0X28 0X00 0X00 0X00 0X00 0XF0；那么此時(shí)測到的體溫為36.4 ℃。

3.2 毫米波雷達(dá)模塊接收到的數(shù)據(jù)幀解析

毫米波雷達(dá)模塊在上電后，會以數(shù)據(jù)幀的方式，通過串口主動發(fā)送心率、呼吸率、睡眠狀態(tài)和睡眠質(zhì)量等生理參數(shù)信息。MCU 在通過串口USART3 接收到這些數(shù)據(jù)幀后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的解析。

串口數(shù)據(jù)幀的格式定義為：幀頭+控制字+命令字+長度標(biāo)識+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)碼+幀尾，毫米波雷達(dá)中不同生理參數(shù)以不同的數(shù)據(jù)幀組合方式上報(bào)。如心率數(shù)值上報(bào)的方式為：5359 8502 0001 心率數(shù)值sum 5 443，3 s 上報(bào)一次。MCU 收到的毫米波雷達(dá)模塊發(fā)送的一組數(shù)據(jù)幀為5359 85 02 0001 4C 80 5443，可以推出：0X5359是幀頭，0X85 是控制字，0X02 是命令字，0X0001 代表數(shù)據(jù)為1 字節(jié)長度，0X4C 是數(shù)據(jù)，校驗(yàn)和sum=0X53+0X59+0X85+0X02+0X00+0X01+0X4C=0X0180，取低2位為0X80。由控制字85 和命令字02 可知，此幀中的數(shù)據(jù)代表心率值，那么心率值為4C=76。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)的硬件連接

系統(tǒng)的硬件連接實(shí)物圖如圖7 所示，按圖7 完成系統(tǒng)實(shí)物的連接并上電。

圖7 系統(tǒng)的硬件連接實(shí)物圖

4.2 體溫、心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量的監(jiān)測

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對體溫、心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量等非接觸式生理參數(shù)的監(jiān)測。在系統(tǒng)上電后，人體的手掌等部位靠近LU90614 模塊，距離要在30 cm 以內(nèi)，人坐好靜止不動，毫米波雷達(dá)需要正對被測者的胸腔或背部，距離毫米波雷達(dá)模塊0.4～2 m 以內(nèi)，即可測出人體的體溫、心率、呼吸率。被測者平躺在床上，模擬正常睡眠場景，采用該系統(tǒng)可以對人體的睡眠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。測得的體溫、心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量如圖8 所示。

圖8 體溫、心率、呼吸率、睡眠質(zhì)量的監(jiān)測

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備基本上是接觸式的，需要與人體直接接觸，被測者活動受限、儀器操作也不方便、不利于保護(hù)被測者的隱私，特別是對于老人、小孩、燒傷患者等的生理參數(shù)監(jiān)測顯得更加困難。通過設(shè)計(jì)一款非接觸式生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，LU90614 人體紅外測溫模塊、R60ABH1 呼吸心跳雷達(dá)模塊與型號為STM32F103C8T6 的MCU 通過串口進(jìn)行通信，MCU 分別對收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，得到了體溫、心率、呼吸率和睡眠質(zhì)量等人體的生理參數(shù)。 顯示部分采用12864 OLED 屏，MCU 將測得的人體生理參數(shù)直接顯示在OLED 屏上。報(bào)警提示部分采用蜂鳴器電路，當(dāng)人體的生理參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，蜂鳴器響，對被測者及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。非接觸式生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對于被測者的日常健康狀態(tài)監(jiān)測、疾病的預(yù)防、人體生理的突發(fā)異常處理具有一定的意義。