基于WiFi的物聯(lián)網分布式心率血氧監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘 要：針對傳統(tǒng)的心率與血氧含量的檢測方法在現代醫(yī)學的應用中存在的缺陷與不足，設計了一款實時監(jiān)測老年人的心率與血氧含量的物聯(lián)網產品。本設計以STM32為控制器，由主機和從機兩大系統(tǒng)組成。通過從機的MAX30102模塊采集心率與血氧數據，將老年人心率與血氧數據在從機的OLED顯示屏實時顯示數據，當老年人心率與血氧數據穩(wěn)定后，利用從機WiFi將數據傳輸至主機WiFi，在主機的OLED顯示屏上進行顯示。如主機上OLED顯示屏顯示的數據不在正常閾值范圍內，主機將按照WiFi傳輸順序精準閃爍LED燈并通過蜂鳴器發(fā)出警報，護理員可以實時監(jiān)測老年人的身體狀況。

關鍵詞：ESP8266 WiFi模塊；分布式；物聯(lián)網；MAX30102心率血氧模塊；心率與血氧含量；STM32F103C8T6

中圖分類號：TP39；TN98 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-000-03

0 引 言

經查閱資料發(fā)現，中國是世界上老年人人口最多的國家。2020年我國60歲及以上老年人人口已達2.64億，占總人口的18.7%。同時約有200萬的老年人居住在養(yǎng)老院，而護理員人數卻只有養(yǎng)老院老年人人數的10%[1-5]。因此需要一款高精度、便于攜帶，并能夠通過分布式形式來實時監(jiān)測養(yǎng)老院老年人的心率血氧的物聯(lián)網產品，來了解每個老年人的身心健康，并在一定程度上降低護理員的工作難度[6-8]。

本研究使用MAX30102心率血氧模塊作為心率血氧監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，實時監(jiān)測老年人的心率血氧，并對每個老年人的數據進行傳輸。由于每個老年人都是獨立的個體，所以采用分布式形式進行老年人心率血氧值的傳輸。本產品具有體積小、攜帶方便、精確度高等特點，護理員可以實時掌握老年人的心率血氧值，監(jiān)測心率血氧值是否處于閾值范圍內，保障老年人的健康生活，這也是養(yǎng)老院科學、高效地開展老年人健康生活監(jiān)測的有效方式[9-11]。

1 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用MAX30102心率血氧模塊的兩大特性電路，模擬信號采集電路和數字處理電路與STM32F103C8T6單片機I2C接口進行數據的處理。利用從機ESP8266 WiFi發(fā)送心率血氧數值、主機ESP8266 WiFi接收心率血氧數值的方式，二者分別連接到兩個STM32F103C8T6單片機上，將接收到的心率血氧值用OLED顯示屏顯示。本設計采用1個主機和8個從機進行測試。系統(tǒng)架構如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 主機硬件系統(tǒng)設計

主機硬件系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、按鍵模塊、ESP8266 WiFi模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊以及指示燈組所構成。主機硬件框圖如圖2所示。主機原理如圖3所示。工作流程是主機WiFi接收從機WiFi發(fā)送過來的數據，經過STM32F103C8T6單片機對接收到的信號進行實時處理與命令控制，如有低于或高于設置閾值的情況，蜂鳴器就會報警且指示燈閃爍，并對數據不正常的老年人進行特殊標注，反之則正常顯示。

2.2 從機硬件系統(tǒng)設計

從機硬件系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、OLED顯示模塊、ESP8266 WiFi模塊、MAX30102心率血氧模塊所構成。從機硬件框圖如圖4所示。從機原理如圖5所示。

上電后，利用MAX30102傳感器實現人體生理血氧和心率信號的實時采集；經過STM32F103C8T6單片機進行數據分析，并將數據以及圖像在OLED顯示屏上顯示出來；同時STM32F103C8T6單片機將數據傳給WiFi模塊，并將數據利用WiFi遠程傳輸到主機上。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 主機軟件系統(tǒng)設計

主機系統(tǒng)上電后，程序開始運行，定時器、ESP8266 WiFi、OLED顯示屏初始化。接下來進入While循環(huán)，判斷按鍵模塊的數據并進行分析。當設置按鍵按下時，切換設置模式；“加”按鍵按下時，加報警上限閾值；“減”按鍵按下時，減報警下限閾值。在調節(jié)完成后，按下確認鍵確認數值，系統(tǒng)運行。主機WiFi開始接收每個從機WiFi傳輸的數據，系統(tǒng)依次分析每個老年人的心率血氧值。如若接收到的數據都在正常的閾值范圍內，LED燈為常亮狀態(tài)，蜂鳴器不會觸發(fā)。當有超過設置的閾值或低于設置的閾值時，LED燈會進行閃爍并打開蜂鳴器報警。主機軟件流程如圖6所示。

3.2 從機軟件系統(tǒng)設計

從機系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，當MAX30102血氧模塊檢測到信號時，會采集5 s內心率和血氧數據進行傳輸、分析、接收；當數據穩(wěn)定可靠后，將得出的數據依次顯示在OLED顯示屏上。從機軟件流程如圖7所示。

在所有數據得出后，從機系統(tǒng)實時將數據連接的WiFi和主機數據連接的WiFi進行數據傳輸，并將傳輸的數據全部顯示在主機的OLED顯示屏上。

4 結 語

本文設計的是一款基于WiFi的物聯(lián)網分布式心率血氧監(jiān)測系統(tǒng)，采用主機和從機相結合的方式，既可以讓老年人看到自己的心率與血氧數據，又可以讓護理員通過主機的OLED顯示屏進行數據觀測。如發(fā)現不在正常閾值范圍內的心率與血氧數值，將發(fā)出實時警報并LED燈閃爍提示。該系統(tǒng)能夠較為準確地檢測心率與血氧，并采用比較穩(wěn)定的WiFi進行數據傳輸，能夠及時發(fā)現養(yǎng)老院內老年人心率異常與血氧濃度較低的情況，并及時救治。

注：本文通訊作者為姜莉。

參考文獻

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作者簡介：李 博（2001—），男，河南商丘人，大連理工大學城市學院通信工程專業(yè)本科在讀。

劉詩澤（2000—），男，遼寧鞍山人，大連理工大學城市學院通信工程專業(yè)本科在讀。

朱文煜（2001—），女，云南大理人，大連理工大學城市學院通信工程專業(yè)本科在讀。

姜 莉（1980—），女，遼寧大連人，大連理工大學城市學院工程師，研究方向為物聯(lián)網技術、數據通信。

收稿日期：2023-04-22 修回日期：2023-05-19

基金項目：2022年度遼寧省教育廳基本科研項目（青年項目）：基于WiFi透傳的自適應波特率串口傳輸技術的研究（LJKQZ20222465）