基于毫米波雷達(dá)的非接觸式生理體征監(jiān)測系統(tǒng)

摘" 要： 對人體生理體征監(jiān)測可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)身體的變化和異常，也有助于人們了解自已的身體狀況，從而預(yù)防疾病。然而市場上的生理體征監(jiān)測設(shè)備普遍采用接觸式，數(shù)據(jù)采集的成本很高，且數(shù)據(jù)獲取非常困難。為此，設(shè)計(jì)一種基于毫米波雷達(dá)的非接觸式生理體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過毫米波雷達(dá)非接觸式地采集人體的生理體征，如心跳速率、呼吸速率、睡眠質(zhì)量、體動參數(shù)等，同時(shí)還采集環(huán)境溫濕度、CO2濃度、TVOC濃度等環(huán)境參數(shù)。將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器進(jìn)行分析和處理，并通過手機(jī)APP進(jìn)行可視化顯示，從而實(shí)現(xiàn)對人體生理體征和環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能，讓用戶隨時(shí)掌握使用者的健康狀況和所處的環(huán)境參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)測量的心跳速率平均誤差為1.99%，呼吸速率平均誤差為5.21%。說明該系統(tǒng)監(jiān)測精度和穩(wěn)定性均較高，可以為用戶提供有效的健康監(jiān)測服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 生理體征監(jiān)測； 非接觸式； 毫米波雷達(dá)； STM32； 云智能APP； 心跳速率； 呼吸速率

中圖分類號： TN86?34" " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）22?0019?06

Non?contact physiological sign monitoring system based on millimeter wave radar

Abstract： Monitoring human physiological signs can timely detect changes and abnormalities in the body， and also help people understand their own physical condition， thereby preventing the diseases. However， physiological monitoring devices on the market commonly use contact based methods， which result in high data collection costs and extremely difficult data acquisition. Therefore， a non?contact physiological monitoring system based on millimeter wave radar is designed. The system can collect human physiological signs such as heart rate， respiratory rate， sleep quality， and body movement parameters by means of non?contact millimeter wave radar， as well as environmental parameters such as temperature， humidity， CO2 concentration， and TVOC concentration. The collected data are transmitted to Alibaba Cloud servers by the MQTT protocol for analysis and processing， and visualized by a mobile APP to achieve remote monitoring of human physiological signs and environmental parameters， allowing users to monitor their health status and environmental parameters at any time. The experimental results show that the average error of the heartbeat rate measured by the designed system is 1.99%， and the average error of the respiratory rate is 5.21%， indicating that the monitoring accuracy and stability of the system are high， and it can provide effective health monitoring services for users.

Keywords： physiological sign monitoring; non?contact; millimeter wave radar; STM32; Cloud intelligent APP; heart rate; respiratory rate

0" 引" 言

隨著科技的發(fā)展，人們對健康管理和疾病預(yù)防的需求越來越高。心跳和呼吸是人體重要的生命體征信號，檢測方法有心電圖法、光電體積描記法、胸壁位移傳感法等[1?2]。然而這些方法均為接觸式的檢測方法，在對重感染的病人和重度燒傷患者體征信號檢測時(shí)存在很大的局限性，因此非接觸式生命體征信號檢測技術(shù)的研究得到了極大的重視[3]。傳統(tǒng)的非接觸式生理體征檢測技術(shù)包括紅外線技術(shù)、超聲波技術(shù)等[4]。隨著人們對生理體征檢測精度和實(shí)時(shí)性的要求逐漸提高，這些傳統(tǒng)的檢測技術(shù)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

近年來，毫米波雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)為非接觸式生理體征檢測提供了新的解決方案，相對于傳統(tǒng)生理體征檢測技術(shù)的不足，毫米波雷達(dá)技術(shù)具有響應(yīng)速度快、精度高、非接觸式等優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，本文設(shè)計(jì)一種基于毫米波雷達(dá)的非接觸式生理體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體的心跳速率、呼吸速率、體動參數(shù)等生理指標(biāo)，同時(shí)還監(jiān)測環(huán)境溫濕度、CO2濃度、總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）濃度等環(huán)境參數(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄人體生理體征信息，滿足人們對健康進(jìn)行有效監(jiān)測和管理的需求。

1" 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、毫米波雷達(dá)模塊、氣體檢測模塊、溫濕度檢測模塊、顯示模塊、WiFi模塊等組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

該系統(tǒng)以STM32F103RCT6為核心，其主要功能是采集生理體征數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；然后將數(shù)據(jù)打包，通過MQTT協(xié)議發(fā)送到阿里云服務(wù)器，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示模塊進(jìn)行顯示[7]。毫米波雷達(dá)模塊負(fù)責(zé)采集被監(jiān)測者的心跳速率、呼吸速率、體動參數(shù)等生理體征信息。環(huán)境氣體檢測模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的CO2濃度和TVOC濃度。溫濕度檢測模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)。顯示模塊主要負(fù)責(zé)把MCU發(fā)送過來的生命體征參數(shù)和環(huán)境參數(shù)顯示出來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地可視化功能。WiFi模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，再由云服務(wù)器下發(fā)至手機(jī)APP，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

2" 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1" 主控模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控芯片，它是一款基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的32位微控制器，工作頻率為72 MHz，F(xiàn)LASH存儲器容量為256 KB，SRAM內(nèi)存容量[8]為64 KB。主控芯片的通信接口有UART、SPI、I2C等，能夠滿足本設(shè)計(jì)對通信接口的需求，并且其外圍電路簡單，使用靈活方便。

2.2" 毫米波雷達(dá)模塊

對人體生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)選用R60ABD1毫米波雷達(dá)傳感器。該傳感器采用60 GHz的毫米波雷達(dá)技術(shù)來感知人體呼吸心跳速率和睡眠質(zhì)量，是一種寬波束雷達(dá)模塊。該模塊基于FMCW雷達(dá)體制，能夠通過精準(zhǔn)掃描人體全身的動作層析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測人體動靜態(tài)時(shí)的睡眠質(zhì)量和不同姿態(tài)下的呼吸心跳速率[9]；還可以同步感知人體的呼吸及心跳速率，同時(shí)記錄睡眠質(zhì)量的歷史數(shù)據(jù)，最大監(jiān)測距離為1.5 m；提供通用UART通信接口，因而采用STM32的串口2與雷達(dá)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即將STM32的PA3與模塊的TX相連，PA2與模塊的RX相連。雷達(dá)模塊接口電路如圖2所示。

2.3" 環(huán)境溫濕度檢測模塊

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境溫濕度檢測模塊選用AHT10數(shù)字式溫濕度傳感器，其采用I2C總線通信接口，能夠準(zhǔn)確、快速地讀取周圍環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)[10]。因此本設(shè)計(jì)使用STM32的I2C總線接口與AHT10進(jìn)行通信，即將STM32的PB7與AHT10的SDA相連，PB6與AHT10的SCL相連。溫濕度傳感器接口電路如圖3所示。

2.4" 環(huán)境氣體檢測模塊

環(huán)境氣體檢測模塊選用SGP30數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器，其采用I2C總線通信接口，可檢測室內(nèi)和室外環(huán)境中CO2和TVOC的濃度[11]。因此本設(shè)計(jì)使用STM32的I2C總線接口與SGP30進(jìn)行通信，即將STM32的PB9與SGP30的SDA相連，PB8與SGP30的SCL相連?？諝赓|(zhì)量傳感器接口電路如圖4所示。

2.5" 顯示模塊

顯示模塊選用智能串口屏，型號為TJC3224T124_011R，它具有操作簡便、體積小巧、功能靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，主要用于顯示各種圖像和文字?jǐn)?shù)據(jù)，同時(shí)可以使用串口進(jìn)行通信，并支持用戶自定義的界面、圖像、文字和控制等操作[12]。本設(shè)計(jì)采用STM32的串口1與智能串口屏進(jìn)行通信，因而將STM32的PA10與串口屏的TX相連，PA9與RX相連。智能串口屏接口電路如圖5所示。

2.6" WiFi模塊

WiFi模塊選用ESP8266，它是一款低成本、低功耗、高性能的WiFi模塊，支持IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)高速無線網(wǎng)絡(luò)連接[13]。該模塊可以使用串口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，其內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，只需要通過簡單的串口配置就能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絎iFi網(wǎng)絡(luò)[14]；還支持STA、AP和STA+AP三種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至阿里云服務(wù)器。本文設(shè)計(jì)使用STM32的串口3與WiFi模塊進(jìn)行通信，即將STM32的PB11與WiFi模塊的TXD相連，PB10與WiFi模塊的RXD相連，PB2與WiFi模塊的RST相連。

ESP8266模塊接口電路如圖6所示。

3" 軟件終端部分的實(shí)現(xiàn)

3.1" 系統(tǒng)軟件工作流程

系統(tǒng)上電后，首先需要對MCU的系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO、DAM、TIM、UART等進(jìn)行初始化；接著，初始化ESP8266模塊，MCU通過串口3給ESP8266模塊發(fā)送AT指令進(jìn)行模式配置，構(gòu)建與云服務(wù)器的傳輸通道并綁定相關(guān)設(shè)備，同時(shí)對云智能APP進(jìn)行初始化；然后，進(jìn)行溫濕度模塊、雷達(dá)模塊、智能串口屏等外圍設(shè)備的初始化；最后，MCU打開TIM1的中斷，監(jiān)測中斷任務(wù)。

初始化完成后進(jìn)入主程序循環(huán)，主程序循環(huán)主要負(fù)責(zé)對溫濕度進(jìn)行平均值濾波計(jì)算。MCU使用I2C協(xié)議來獲取SGP30、AHT10模塊的數(shù)據(jù)，對串口2接收到的雷達(dá)模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并提取系統(tǒng)所需要的生理體征相關(guān)信息。TIM1中斷主要負(fù)責(zé)按照設(shè)置的時(shí)間間隔把監(jiān)測數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)送給智能串口屏呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)會按照一定的時(shí)間間隔刷新，把監(jiān)測數(shù)據(jù)通過串口3發(fā)送給ESP8266模塊并上傳到云服務(wù)器，云端數(shù)據(jù)3 s左右刷新一次。串口1中斷負(fù)責(zé)處理智能串口屏下發(fā)的CO2濃度與TVOC濃度閾值設(shè)置命令，解析數(shù)據(jù)幀。串口2中斷負(fù)責(zé)提取并存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的生理體征信息的數(shù)據(jù)幀，交由負(fù)責(zé)解析校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀的程序來處理，并獲取有效的生理體征信息。主程序流程如圖7所示。

3.2" 軟件功能模塊的實(shí)現(xiàn)

3.2.1" 雷達(dá)模塊設(shè)計(jì)

雷達(dá)發(fā)射毫米波信號遇到目標(biāo)會反射回波信號，然后將接收到的回波信號與發(fā)射信號進(jìn)行I/Q解調(diào)，進(jìn)而通過放大、濾波等處理得到回波解調(diào)信號。雷達(dá)模塊將計(jì)算出的相應(yīng)信息組成幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并通過串口輸出，單片機(jī)通過串口接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行拆分，將幀數(shù)據(jù)里面的數(shù)據(jù)提取出來，最終實(shí)現(xiàn)對人體心跳速率、呼吸速率、翻身、體動等的監(jiān)測。雷達(dá)模塊工作程序流程見圖8。

3.2.2" ESP8266模塊設(shè)計(jì)

首先STM32初始化串口3，發(fā)送AT指令初始化ESP8266，ESP8266模塊掃描周圍的WiFi網(wǎng)絡(luò)，尋找已知的WiFi網(wǎng)絡(luò)并嘗試連接；然后，ESP8266模塊通過MQTT協(xié)議與服務(wù)器建立連接；最后，ESP8266模塊根據(jù)應(yīng)用程序的功能設(shè)計(jì)，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸過程中，ESP8266模塊會進(jìn)行數(shù)據(jù)包的拆分和組裝，以保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

ESP8266模塊工作流程見圖9。

3.3" 阿里云APP設(shè)計(jì)

阿里云APP設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

阿里云APP設(shè)計(jì)主要包括以下6個(gè)步驟。

1） 登錄阿里云生活物聯(lián)網(wǎng)平臺，首先必須創(chuàng)建新項(xiàng)目，接著創(chuàng)建新產(chǎn)品，并編輯產(chǎn)品名稱和所屬分類，然后選擇連網(wǎng)方式。

2） 創(chuàng)建好新產(chǎn)品后點(diǎn)擊，進(jìn)入新產(chǎn)品的4個(gè)配置頁面并進(jìn)行功能定義配置，根據(jù)設(shè)計(jì)功能需求添加自定義功能。

3） 進(jìn)入到人機(jī)交互界面進(jìn)行配置，首先進(jìn)行屬性配置，選擇品牌并填寫產(chǎn)品名稱及型號，接下來進(jìn)行設(shè)備面板配置，根據(jù)功能需求編輯設(shè)計(jì)面板。

4） 進(jìn)入設(shè)備調(diào)試界面，在測試設(shè)備選項(xiàng)處新增一個(gè)測試設(shè)備。

5） 進(jìn)入到批量投產(chǎn)界面，查閱須知與協(xié)議同意確認(rèn)，點(diǎn)擊產(chǎn)品發(fā)布即可。

6） 回到人機(jī)交互界面的產(chǎn)品發(fā)布選項(xiàng)，點(diǎn)擊下載配網(wǎng)二維碼，在彈出來的界面填寫設(shè)備名稱，生成二維碼，掃描下載云智能APP，掃碼登錄添加綁定設(shè)備。

最終的APP界面設(shè)計(jì)效果圖如圖11所示。

4" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

4.1" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先測試顯示的準(zhǔn)確性，進(jìn)入生理體征監(jiān)測儀的生理指標(biāo)顯示界面，該界面主要顯示人體的體動參數(shù)、心跳速率、呼吸速率、睡眠質(zhì)量等指標(biāo)。測試時(shí)改變?nèi)梭w的狀態(tài)，界面顯示的數(shù)據(jù)能夠正常刷新，顯示效果如圖12a）所示。環(huán)境參數(shù)界面主要顯示的信息有環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、CO2濃度、TVOC濃度等指標(biāo)，測試時(shí)改變各種環(huán)境參數(shù)，界面顯示的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)刷新，顯示效果如圖12b）所示。

4.2" 系統(tǒng)測試

隨機(jī)選擇一位身體健康的男性志愿者進(jìn)行測試，該志愿者的年齡為20歲，身高為169 cm，體重為72 kg，實(shí)驗(yàn)期間志愿者與雷達(dá)距離大約1 m，保持正常呼吸速率。為了進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，志愿者還佩戴接觸式呼吸傳感器（HKH?11C）和智能手環(huán)（HUAWEI LEA?B29）分別進(jìn)行心跳和呼吸監(jiān)測，一共采集10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測量得到的心跳速率和呼吸速率結(jié)果[15]見表1。生理體征監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要是對心跳速率和呼吸速率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從表1的心跳速率數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)經(jīng)過10次測試，得到心跳速率誤差次數(shù)最小為0，最大誤差次數(shù)為2次，平均誤差次數(shù)為1.40次，平均誤差率為1.99%；從表1的呼吸速率數(shù)據(jù)分析來看，系統(tǒng)經(jīng)過10次測試，得到呼吸速率誤差次數(shù)最小為0，最大誤差次數(shù)為1次，平均誤差次數(shù)為0.90次，平均誤差率為5.21%。呼吸的誤差率比心跳的誤差率要高，主要原因可能是每分鐘呼吸的次數(shù)較少，計(jì)算比例時(shí)由于分母較小導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果就較大。

由此可以看出，本文系統(tǒng)測量心跳速率和呼吸速率的精度較高，基本上能滿足日常對生理體征監(jiān)測的需求。

5" 結(jié)" 語

針對目前生理體征監(jiān)測設(shè)備采用接觸式監(jiān)測成本高、采集困難的問題，本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于毫米波雷達(dá)生理體征監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測人體的生理體征信息，包括心跳速率、呼吸速率、睡眠質(zhì)量、體動參數(shù)等生理指標(biāo)，同時(shí)還采集環(huán)境溫濕度、CO2濃度、TVOC濃度等環(huán)境參數(shù)，并且能將采集到的數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議上傳到云服務(wù)器，在手機(jī)APP即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該生理體征監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄人體生理體征信息的需求，具有一定的實(shí)用性和可行性，為人們的健康提供了有效的監(jiān)測和管理手段。

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