基于連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章針對(duì)因睡眠環(huán)境不當(dāng)、嬰兒猝死綜合征等原因?qū)е碌暮粑惓Ｇ闆r，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該預(yù)警系統(tǒng)由連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器和單片機(jī)主控芯片2個(gè)部分組成。連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器通過(guò)發(fā)射和接收電磁波監(jiān)測(cè)嬰兒表體呼吸時(shí)的胸腹部收縮幅度數(shù)據(jù)，從而得到嬰兒呼吸數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)采用串行外設(shè)接口接收傳感器收集的嬰兒呼吸數(shù)據(jù)信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換，最終得到單位時(shí)間內(nèi)的嬰兒呼吸頻率。當(dāng)STM32單片機(jī)判斷出嬰兒發(fā)生呼吸異常情況，即刻觸發(fā)警報(bào)模塊。嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的呼吸頻率與強(qiáng)弱，還能在嬰兒呼吸異常時(shí)及時(shí)發(fā)起嬰兒呼吸異常警報(bào)，加強(qiáng)嬰兒的安全保障。

關(guān)鍵詞：非接觸式；連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器；呼吸異常；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP39" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著社會(huì)與科技的不斷發(fā)展，家庭對(duì)安全的重視程度與日俱增，智能嬰兒看護(hù)技術(shù)的發(fā)展將有效減輕父母的看護(hù)壓力，降低嬰幼兒遭受意外傷害的風(fēng)險(xiǎn)。然而，兒童意外傷害時(shí)刻威脅著孩子們的安全，其中嬰兒意外窒息更是以其突發(fā)性和高致命性，成了兒童生命安全最大的威脅之一，目前已成為我國(guó)嬰幼兒意外死亡的主要原因之一^［1］。據(jù)國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究表明，嬰兒因吐奶、睡眠環(huán)境不當(dāng)、異物吸入、嬰兒猝死綜合征等原因引起的嬰兒呼吸異常事件頻發(fā)，嬰兒呼吸異常很容易導(dǎo)致嬰兒意外窒息，這不僅給家庭帶來(lái)了無(wú)法彌補(bǔ)的創(chuàng)傷，也引發(fā)了嬰幼兒安全監(jiān)護(hù)技術(shù)的革新^［2］。由于當(dāng)代青年工作生活任務(wù)繁重，面對(duì)嬰兒看護(hù)問(wèn)題常分身乏術(shù)。隨著科學(xué)的進(jìn)步和技術(shù)的突破，人工智能開(kāi)始不斷滲透生活的各個(gè)場(chǎng)景，為看護(hù)的智能化發(fā)展提供了更加便捷、合理的智慧化解決方案，在此背景下嬰兒智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。市面上嬰兒的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可分為接觸式和非接觸式2大類，接觸式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在嬰兒智能看護(hù)市場(chǎng)中最為普遍，在對(duì)嬰兒及老人看護(hù)研究領(lǐng)域也得到廣泛使用。傳統(tǒng)的可穿戴式預(yù)警設(shè)備，如嬰兒背心^［3］、智能床單^［4］、壓力傳感器等^［5］，雖然在一定程度上提升了嬰幼兒安全的防護(hù)水平，但此類預(yù)警設(shè)備須直接接觸嬰兒身體獲取相關(guān)檢測(cè)信號(hào)，往往無(wú)法兼顧嬰兒舒適度且存在輻射漏電風(fēng)險(xiǎn)和長(zhǎng)期皮膚接觸引發(fā)皮膚問(wèn)題，并不適用于嬰兒日常監(jiān)護(hù)。非接觸式嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要基于嬰兒監(jiān)護(hù)攝像頭采取嬰兒照片或視頻，此類監(jiān)護(hù)系統(tǒng)功能繁多，但實(shí)際功能性差，只能輔助人工看護(hù)，針對(duì)嬰兒異常呼吸識(shí)別率很低，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)嬰兒呼吸異常的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文提出的嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合2類監(jiān)護(hù)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，在非接觸式的基礎(chǔ)上提高了嬰兒呼吸監(jiān)測(cè)精度，在提升監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體驗(yàn)感的同時(shí)提高了嬰兒呼吸異常檢查準(zhǔn)確率，能更有效預(yù)防嬰兒意外窒息風(fēng)險(xiǎn)，從而保障嬰幼兒安全。

本文基于連續(xù)波（Continuous Wave，CW）生物雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)了一個(gè)非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)^［6］，旨在通過(guò)先進(jìn)的生物雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)嬰兒睡眠環(huán)境及生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，從而有效預(yù)防嬰兒呼吸異常引起的意外窒息風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)采用的連續(xù)波生物雷達(dá)相較于普遍用人體生命特征監(jiān)測(cè)的超寬帶（Ultrawide Band，UWB）雷達(dá)傳感器和調(diào)頻連續(xù)波（Frequence Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）毫米波雷達(dá)傳感器^［7-8］，連續(xù)波生物雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)是成本低廉、能耗低且射頻電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更適用于家庭式嬰兒日常監(jiān)護(hù)。非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將突破傳統(tǒng)預(yù)警設(shè)備的局限性，無(wú)須直接接觸嬰兒，而是通過(guò)高精度的連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器非侵入式地捕捉嬰兒呼吸頻率，通過(guò)判斷嬰兒的異常呼吸情況，預(yù)防嬰兒在日常生活中潛在的意外窒息危險(xiǎn)因素（如吐奶、睡眠環(huán)境不當(dāng)導(dǎo)致面部遮擋、嬰兒猝死綜合征等）。

本文提出的嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以STM32微控制器作為主控制器，60 GHz載波頻率（V波段）連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器為呼吸信號(hào)采集模塊，采用串行外設(shè)接口（SPI）的藍(lán)牙功能進(jìn)行傳感器和STM32單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。STM32單片機(jī)將傳感器采集的數(shù)字信號(hào)加以處理，在判斷信號(hào)數(shù)據(jù)存在意外窒息風(fēng)險(xiǎn)后，通過(guò)藍(lán)牙把窒息風(fēng)險(xiǎn)信號(hào)數(shù)據(jù)及警報(bào)信息傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)人移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)意外窒息風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。本文提出的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)核心在于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與監(jiān)護(hù)的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)分析嬰兒呼吸狀態(tài)，識(shí)別異常呼吸情況（如呼吸急促、呼吸暫停、淺快呼吸等）并立即觸發(fā)警報(bào)機(jī)制，通知家長(zhǎng)或監(jiān)護(hù)人采取相應(yīng)措施。為嬰兒創(chuàng)造一個(gè)更加安全舒適的睡眠環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由非接觸式的連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器和單片機(jī)主控芯片2個(gè)部分組成，采用藍(lán)牙無(wú)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器利用60 GHz載波頻率（V波段）連續(xù)波雷達(dá)采集嬰兒胸腹表面因呼吸產(chǎn)生的腹部收縮幅度變化數(shù)據(jù)形成嬰兒的呼吸數(shù)據(jù)信號(hào)。嬰兒呼吸數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)前置放大器將信號(hào)放大到60 dB擋位，使用放大濾波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)及去噪調(diào)理，采用A/D轉(zhuǎn)換流程將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)接口將嬰兒呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給STM32單片機(jī)，在單片機(jī)上對(duì)嬰兒呼吸數(shù)據(jù)進(jìn)行呼吸異常判斷，并使用輸入輸出引腳（GPIO）連接數(shù)據(jù)接口將呼吸異常信號(hào)傳遞給蜂鳴器報(bào)警模塊激活蜂鳴器，最終實(shí)現(xiàn)嬰兒呼吸異常情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嬰兒呼吸信號(hào)采集及處理模塊

本系統(tǒng)使用60 GHz載波頻率（V波段）連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器對(duì)嬰兒呼吸信號(hào)的采集，選用的連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器型號(hào)為BGT60TR13C。BGT60TR13C生物雷達(dá)傳感器采用集成天線設(shè)計(jì)，不僅支持60 GHz的載波頻率，還能夠檢測(cè)最遠(yuǎn)達(dá)15 m內(nèi)的人體目標(biāo)，并具備亞毫米級(jí)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力。BGT60TR13C生物雷達(dá)傳感器通過(guò)集成有限狀態(tài)機(jī)（FSM）實(shí)現(xiàn)最低功耗，確保在提供高性能的同時(shí)，能保持較低的能耗，適用于非接觸式交互、生命傳感等多種場(chǎng)景，如人員跟蹤、智能手機(jī)手勢(shì)控制、心臟監(jiān)測(cè)、睡眠監(jiān)測(cè)等。60 GHz載波頻率（V波段）連續(xù)波生物雷達(dá)前端射頻電路由雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器、混頻器、接收發(fā)送天線、電路組成，雷達(dá)通過(guò)檢測(cè)嬰兒胸腹部輕微起伏頻率獲取嬰兒的呼吸頻率信號(hào)，具體的連續(xù)波生物雷達(dá)監(jiān)測(cè)嬰兒呼吸信號(hào)原理如圖2所示。

在生理學(xué)上，人體的呼吸信號(hào)可以通過(guò)呼吸引起的胸腹部表面微動(dòng)信息反饋，日常人體呼吸引起的胸腹部表面起伏位移范圍為4～15 mm，因此本系統(tǒng)選用60 GHz載波頻率（波長(zhǎng)為5 mm）的連續(xù)波生物雷達(dá)發(fā)送射頻信號(hào)。雷達(dá)接收嬰兒胸腹部反射的射頻信號(hào)后，通過(guò)混頻器進(jìn)行變頻處理得到連續(xù)波生物雷達(dá)的基帶信號(hào)。射頻信號(hào)基于嬰兒胸腹部規(guī)律性振幅產(chǎn)生的連續(xù)波動(dòng)基帶信號(hào)形成嬰兒日常呼吸信號(hào)。

2.2 嬰兒呼吸信號(hào)、呼吸異常信號(hào)傳輸及判斷模塊

本系統(tǒng)采用的集成芯片為STM32單片機(jī)，是一款基于ARM CortexM內(nèi)核的32位微控制器（MCU），具有高性能、低功耗、豐富的外設(shè)和易于開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。BGT60TR13C雷達(dá)傳感器通過(guò)串行外設(shè)接口的藍(lán)牙功能將處理后的嬰兒呼吸信號(hào)傳輸給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)接收到嬰兒呼吸信號(hào)后，使用集成的片內(nèi)運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行前置放大，以提高信號(hào)的幅度和信噪比，采用濾波、放大幅度調(diào)整進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，STM32單片機(jī)還進(jìn)一步采用A/D轉(zhuǎn)換流程處理信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換形成嬰兒呼吸信號(hào)的波形數(shù)據(jù)。在STM32單片機(jī)上可以對(duì)嬰兒呼吸波形數(shù)據(jù)進(jìn)行最終分析即可進(jìn)行嬰兒呼吸異常判斷。

2.3 嬰兒呼吸異常警報(bào)模塊

BGT60TR13C生物雷達(dá)傳感器通過(guò)STM32單片機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒呼吸頻率并計(jì)算呼吸周期，嬰兒呼吸頻率一般為30～40次/min，年齡越小，呼吸相對(duì)更快，新生兒的呼吸頻率大約在40～50次/min，因此設(shè)置嬰兒正常呼吸頻率閾值為25～50次/min，當(dāng)嬰兒呼吸頻率低于25次/min或高于50次/min時(shí)，認(rèn)定嬰兒存在呼吸異常情況。STM32單片機(jī)使用輸入輸出引腳（GPIO）控制有源蜂鳴器開(kāi)關(guān)，有源蜂鳴器內(nèi)包含振蕩電路，當(dāng)STM32單片機(jī)判斷出嬰兒呼吸異常時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)有源蜂鳴器開(kāi)關(guān)，觸發(fā)嬰兒呼吸異常警報(bào)，有源蜂鳴器警報(bào)電路如圖3所示，蜂鳴器使用NPN三極管驅(qū)動(dòng)電路完成驅(qū)動(dòng)任務(wù)，可以有效緩解STM32負(fù)擔(dān)過(guò)重的問(wèn)題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款基于連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C語(yǔ)言對(duì)STM32單片機(jī)的主控芯片進(jìn)行編程，系統(tǒng)原理框架如圖4所示。STM32單片機(jī)設(shè)置每分鐘進(jìn)行一次嬰兒呼吸異常檢測(cè)。當(dāng)STM32單片機(jī)接收到連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器采集的嬰兒呼吸信號(hào)后，對(duì)嬰兒呼吸信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、過(guò)濾、加強(qiáng)與A/D轉(zhuǎn)換處理得到的嬰兒呼吸數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過(guò)嬰兒呼吸數(shù)據(jù)信號(hào)累加得到嬰兒的實(shí)時(shí)呼吸頻率。本系統(tǒng)設(shè)置嬰兒正常呼吸頻率閾值為25～50次/min，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到嬰兒的呼吸頻率在正常呼吸頻率閾值范圍之外時(shí)，則觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警電路，否則跳轉(zhuǎn)到結(jié)束，進(jìn)行下一次監(jiān)測(cè)。

4 測(cè)試結(jié)果

將BGT60TR13C生物雷達(dá)傳感器固定在嬰兒床正上方的位置，BGT60TR13C生物雷達(dá)傳感器的信號(hào)發(fā)射器與接收器位于嬰兒胸腹部正上方進(jìn)行射頻信號(hào)的發(fā)射與接收。BGT60TR13C雷達(dá)傳感器通過(guò)輸出串口的藍(lán)牙功能將處理后的嬰兒呼吸信號(hào)傳輸給STM32單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)STM32單片機(jī)對(duì)嬰兒呼吸信號(hào)進(jìn)行加工處理后傳輸?shù)絇C端，模擬出嬰兒呼吸頻率波形圖，具體如圖5所示。如圖5（a）所示是嬰兒呼吸正常情況下的嬰兒呼吸頻率，圖中呼吸頻率較規(guī)律，可觀察到此時(shí)的嬰兒呼吸頻率穩(wěn)定且處于嬰兒正常呼吸閾值范圍；如圖5（b）所示是嬰兒呼吸頻率偏低情況下的嬰兒呼吸頻率，在監(jiān)測(cè)時(shí)間12～15 min時(shí)，嬰兒呼吸頻率低于嬰兒正常呼吸閾值，且呼吸規(guī)律性不強(qiáng)；如圖5（c）所示是嬰兒呼吸頻率偏高情況下的嬰兒呼吸頻率，在監(jiān)測(cè)時(shí)間11～15min時(shí)，嬰兒呼吸頻率明顯高于嬰兒正常呼吸閾值，顯示出嬰兒呼吸急促。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、價(jià)格低廉、使用方便且檢測(cè)精度高的非接觸嬰兒呼吸異常警報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用非接觸式連續(xù)波生物雷達(dá)傳感器進(jìn)行呼吸監(jiān)測(cè)，在提升嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體驗(yàn)感的同時(shí)，也可以提高嬰兒呼吸異常的檢測(cè)精度。同時(shí)，系統(tǒng)可以對(duì)嬰兒呼吸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)嬰兒呼吸異常情況，也能緩解家長(zhǎng)在日常生活中嬰兒監(jiān)護(hù)的壓力，具有充分的市場(chǎng)潛力與應(yīng)用需求。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of noncontact infant respiratory abnormality monitoring system based on continuouswave bioradar sensor

ZHUANG" Yueyuan1， SU" Huawen2， WEI" Zhe1

（1.Civil Aviation Flight University of China， GuangHan 618307， China;

2.CMB Network Technology （Shenzhen） Co.， Ltd.， Chengdu Branch， Chengdu 610041， China）

Abstract：" This paper presents a noncontact monitoring and early warning system for abnormal infant respiration based on a continuouswave bioradar sensor， addressing respiratory abnormalities caused by improper sleeping environments， Sudden Infant Death Syndrome （SIDS）， and other factors. The early warning system consists of two main components： a continuouswave bioradar sensor and a microcontroller （MCU） as the main control chip. The continuouswave bioradar sensor monitors the chest and abdominal contraction amplitudes of an infant during respiration by emitting and receiving electromagnetic waves， thereby obtaining the infant’s respiratory data. The STM32 MCU utilizes a serial peripheral interface to receive the infant’s respiratory data signals collected by the sensor， processes and converts these signals， and ultimately obtained the infant’s respiratory rate per unit time. When the STM32 MCU detects abnormal respiratory patterns in the infant， it triggers the alarm module immediately. This infant respiratory abnormality monitoring system not only can monitor the infant’s respiratory rate and strength in realtime ，and also promptly issue an alarm for abnormal infant respiration when detected， enhancing the safety protection for infants.

Key words： noncontact; continuouswave bioradar sensor; abnormal respiration; monitoring system