基于GSM 便攜式人體生理信號監控報警系統設計*

陳 丹 ，王 晶，陳揚美，肖文凱

(四川理工學院，四川 自貢643000)

中國是世界上人口最多的國家，到2008 年末中國大陸人口13.28 億，占世界人口的20%、亞洲人口的33%。在2010 年的人口普查時得到的數據中可以知道在中國社會中:0 ～14 歲人口占16.60%;60 歲及以上人口占13.26%;其中65 歲及以上人口占8.87%。

而隨著人口老齡化進程的加快，各種老齡化疾病也越來越困擾這類人群。比如腦動脈硬化、腦卒中風、冠心病等，這些疾病老年人最容易罹患，由于這些疾病發病時間很短，當老年人發病后，如果不能及時察覺可能危及患者的生命。

1 人體信號檢測儀的現狀調查

目前，人體信號檢測儀器在醫院里是使用比較廣泛的醫用檢測儀器，如心電探測儀、血壓檢測儀、血氧測量儀等，這些儀器雖然測量精確，但體積比較大，不容易攜帶，另外這些檢測儀器沒有遠程信息發送功能。

另外還有便攜式的人體信號檢測儀器，但這些儀器以國外產品占主導地位。國外對于監護儀器便攜性、準確性、功能性的研究與開發已經相當成熟，其最具代表性的有日本的歐姆龍公司、德國的博朗集團和瑞士的邁克大夫等。

而在國內，這些便攜式的人體信號檢測儀器還只停留在起步階段。中國社會目前已經進入老齡化社會，已經成為全球最大的家庭醫療保健消費市場。隨著生活水平與生活質量的提高，人們越來越注重疾病的預防、治療和自我保健。各類健身器材、醫療保健器材和滋補保健品已迅速進入普通居民家庭，醫療保健消費成倍增長。2009 年城市居民人均醫療保健支出1 310 元，增長79.4%，2010 年1 ～6 月城市居民僅用于保健器具的支出比2009 年增長6.2 倍。家庭醫療保健產品正成為市場的焦點。因此人們對便攜式人體信號檢測系統有很高的市場要求。

2 系統總體方案設計

本系統主要針對和人身體狀態密切相關的3 種生理信號:體溫、脈搏、血氧飽和度進行檢測。當信號出現異常時能夠進行遠程報警，故應具備以下功能:

(1)能檢測出人體的心率信號;

(2)能檢測出人體的血氧濃度信號;

(3)能檢測出人體的體溫信號;

(4)具有便攜式實時、無創檢測功能;

(5)有遠程報警功能。

其系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

該系統人體信號檢測部分的3 個檢測傳感器實時對人體的3 種信號進行檢測，檢測到的信號被MSP430 處理器接收并進行處理，得到相應的數據信號后，將這些數據信號通過24L01 無線發送模塊發送出去，當遠程報警模塊部分中的MSP430 處理器收到從24L01 無線接收模塊處收到的數據信號后，將對數據進行判定，如果判定出的數據信號為異常信號，則觸發報警功能，控制TC35I 模塊工作，進行短信或電話報警。

在該方案設計中，由于信號檢測部分與遠程報警部分的功能進行了分離，人體信號檢測部分的電路能夠設計得很微小，可以安置在人體的一些檢測部位，而又不影響人的活動;遠程報警部分則可以進行模塊封裝，然后放置于人的衣服口袋等地方，方便攜帶。

2.1 血氧飽和度及檢測原理

本系統的測量原理是將血氧濃度的線性變化與脈搏的非線性變化通過光電檢測技術進行物理量的數字化，并將數字化后的數據進行進一步的處理，實現對血氧飽和度和脈搏的無創傷連續監測并進行異常報警。本設計通常是以人的手指尖部獲取測量信息。人的手指是一個混合組織，紅光和紅外光透過手指，由皮膚、肌肉、骨骼、毛細血管、靜脈血管和心臟舒張期的動脈血產生一個恒定的吸光系數A。由心臟搏動，動脈血充盈引起血管容積變化從而形成脈動量產生的是與此相應變化的吸收系數ΔA。當用兩種特定波長的恒定光λ1，λ2照射手指時，運用Lambert－Beer 定律，可推導出:

式中:α1、β1是對應于λ1波長的HbO2、Hb 的吸光系數，ΔA1是對應于λ1的吸光度變化量。

α2、β2是對應于λ2波長的HbO2、Hb 的吸光系數，ΔA2是對應于λ2的吸光度變化量。

對一定波長的光和一定的透射物而言，吸光系數是個確定的量，即α1、β1、α2、β2是個常量。適當選擇可使得上式中的SaO2和之間呈近似線性關系，表示為:

式中Q 為2 種波長(HbO2、Hb)的吸光度變化之比，a、b 為儀器常數，與傳感器結構、測量條件有關。此經驗公式為眾多的脈搏血氧儀設計所采用。本設計中，便是據此原理在技術上解決了夾指傳感探頭、光源、檢測元件、測量方法及克服各種生理因素的影響，并在定標方法上探討了儀器常數a、b 而確定。

本系統監測的是血氧飽和度，因此常用符號SaO2表示，以區別于取樣所測得的SaO2。

光源采用兩種不同波長的發光二極管(紅色光和紅外光)，其管芯經特殊封裝和PIN 型光敏管組成透射式夾指傳感器。發光管的峰值分別為λ1=660 nm(紅光)，λ2=940 nm(紅外)。由單片機控制雙脈沖發送并通過恒流脈沖驅動H 橋型電路，使兩個發光管按順序交替工作。由光敏管檢測到的信號經調制放大以消除雜散光和暗電流的影響，再經解調分離電路分別檢出由紅光和紅外光產生的信號送單片機A/D 口進行數據處理。

血氧含量的檢測技術近幾年來已引起了許多研究者們的高度重視。隨著工程技術的迅速發展，國外各種不同用途和類型的血氧儀相繼問世，并在世界各國得到了迅速推廣，特別是可用于連續、無創監測動脈血氧飽和度和心率的脈搏血氧儀，已成為臨床上的常規監護儀器，但是在國內，民用的相關儀器其功能單一，攜帶不方便，已經成為推廣和普及該儀器的最大阻礙，本系統靈活的將血氧、脈搏、溫度檢測集成到手機模塊里面，使普通的手機變身成為臨床醫學檢測、手機通信的兩用手機，擴展了手機、或者血氧儀的使用范圍。

得到血氧值的過程實現:從上面的分析可以知道，血氧濃度的值的簡化后公式為:

在公式中a 和b 為指定值，ΔA1和ΔA2為測量值。測量這兩個值的過程為:在硬件電路上由H 橋控制兩個發光管交替發光，然后由放大器將這兩個信號放大到適合單片機使用的電壓伏值，然后使用AD 轉換，將這兩個值送入單片機中;在單片機中，使用上面的計算公式便得到了血氧值。其信號的測量過程如圖2 所示。

圖2 血氧飽和度測量框圖

2.2 紅外脈搏檢測原理

隨著心臟的收縮舒張，主動脈周期性的一張一縮，壓力將從升高區域開始以波的形式向主動脈遠端及其分支傳播，形成脈搏波。在脈搏波的傳播過程中，由于心血管狀況的不同，脈搏波將被不同程度的反射和折射，可反映出心血管的外周阻力和血管壁彈性等生理信息。

根據血流動力學原理，在血管變形不太大的情況下，一個周期內血管內血流壓力隨時間變化的波形將與血管半徑隨時間變化的波形相似。利用脈搏波為峰值時遮擋紅外光線能力強，脈搏波為谷值時透過紅外光能力強的原理，在利用放大器把這個微小的電壓差信號放大后，便可以記錄到搏動隨時間變化的曲線，即為脈搏。

該信號的測量過程如圖3 所示。

圖3 脈搏度測量框圖

由于該信號為一個較低的頻率信號，故在單片機中使用的算法為測頻算法，在本系統中使用的單片機具有頻率測量功能，所以要進行測頻，只需要進行相關寄存器的操作便能實現。

2.3 血氧飽和度信號和心率脈搏檢測部分設計

血氧飽和度監測采用無損檢測，利用對血液中的血細胞所含氧濃度不同時對可透過紅光和紅外光的吸光能力不同進行檢測，然后使用相應的計算方法得到。血氧檢測電路與脈搏檢測電路結構比較相似，都是使用紅外對管進行檢測，所以該部分模塊的檢測探頭可以共用一個探頭，只是后級電路結構不同，同時由于檢測血氧時還需要有紅光的信號，且在檢測時需要紅光和紅外光交替測量才能得到所要的數據，因此該部分電路如圖4 所示。

圖4 H 橋驅動電路

圖4電路為H 橋型電路，其工作方式為:當bloodledQ1 與bloodledQ4 導通時，LED Ir 被正向接通開始工作，向外發出紅外光;當bloodledQ2 與bloodledQ3 導通時，LED red 被正向接通開始工作，向外發出紅光;注意Q1 與Q3、Q2 與Q4 不能同時導通，如果這兩組三極管同時導通，則會引起電路短路。

H 橋型電路的使用便于MCU 更快捷的交替使能紅色發光二極管和紅外光發光管，其中紅光檢測人體的脈搏信號，紅外光檢測人體的血氧信號。由于人體的血氧信號是線性變化的，而人體的脈搏信號頻率也不高(以人體進行劇烈運動后的脈搏頻率為4 Hz 計算)，根據奈奎斯特定理:在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2 倍時(fs.max＞=2fmax)，采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，可以知道，如果讓MCU 提供一個滿足采樣定理的采樣頻率，則能很輕易的將這兩個信號完整的采樣出來，而本設計中使用的MCU 能很輕易的實現相關的功能要求，所以使用H 橋型電路交替使能2 個發光管工作對人體信號采樣影響比較小。

當使用紅光發光管和紅外光發光管后，還要使用相應的光敏接收管才能將需要的信號采樣到，同時由于血氧信號是線性變化的物理量，故所搭建的光信號接收測量電路也應該對應使用線性變化測量電路，本設計中使用的是差分方式測量光信號的線性變化，其電路結構如下圖5 所示。

圖5 線性測光電路

該電路為電流輸入型差動放大電路，使用放大電路的普通分析方法可知:其中Vf－部分為電流輸入電路，該部分電路的原理為基于負反饋的電流輸入放大器，在本系統中使用此方法是由于光敏器件提供的可變信號為電流型信號，運用這種連接方式可以通過負反饋的作用把輸入阻抗降到比較低的值，從而實現高靈敏度、低噪聲的電流輸入前置放大。而從該電路的整體來看，其構成為一差動放大器，這樣的電路連接能夠避免在檢測時引入共態噪聲的影響。

由于在線性測光電路所測量得到的信號中即線性的血氧飽和度信號，也有低頻的脈搏信號(按人體脈搏在運動后最高跳動次數達240 次/min 來計算，即最高為4 Hz/s)，故不需要增加另外的測量電路，只需要在上圖的sigout1 處分一引線出來增加一級低通濾波器，再加兩級放大，便能得到穩定的脈搏信號，其電路結構圖如下圖6 和圖7 所示。

圖6 中電路為低通濾波放大器，其功能為濾出高于5 Hz 以上的信號波型。因為該級信號中有直流信號和脈搏信號，如果放大倍數大的話，脈搏信號會被直流信號淹沒，所以該部分電路的放大倍數為1.5 倍。

圖6 低通濾波器電路

圖7 二級放大比較電路

圖7 中電路功能為進行二次放大和比較輸出，比較輸出部分的功能是將得到的波型進行整形的作用。

2.4 其他部分設計及連接圖

本系統中使用的測溫芯片為AD7314 芯片，該芯片封裝體積非常小，便于集成和攜帶。其電路連接圖如圖8 所示。

圖8 體溫檢測模塊電路

圖中為AD7314 的引腳結構圖，CE_7314 為7314 芯片的片選功能接口，SCLK_7314 為芯片的時鐘輸入接口，GND_7314、VDD_7314 為芯片的電源接口，ID_7314、SDI_7314、SDO_7314 為芯片的數據輸入輸出接口，這幾個引腳與單片機相連接。

本系統中使用的短程無線收發模塊的方案為24L01 模塊，該模塊使用SPI 同步串行通信方式，使用免費的2.4 GHz 公共無線頻率，而且該模塊已經屬于成品化模塊，相應的操作控制技術已經非常成熟。其連接電路如圖9 所示。

圖9 無線模塊接口電路

圖9 中GND 與REGI 為電源接口，SCK、GIO1、GIO2、SCS 這四個引腳為與單片機的數據接口引腳，這幾個引腳與單片機相連接，并與單片機進行數據交換。由于該模塊具有數據的發送與接收功能，該部分電路可以應用到數據的發送與接收電路中。

因為本系統需要進行遠程報警，而遠程報警性能最好、距離最遠的報警方式就是使用GSM 網絡的移動通信技術來報警。使用這種方式不僅可以傳送相應的報警信號，還能進行文字和語言信息交換。在本系統中使用的遠程報警模塊是使用技術比較成熟的TC35I GSM 模塊。其電路連接圖如圖10 所示。

圖10 TC35I 模塊電路

圖10 中模塊便為TC35I 模塊的電路結構圖，圖中1 KUF 的電容作用是儲能，為模塊工作時提供大的電流;電容C2和電容C3為去耦電容，作用是去除電源波動的影響，電阻R3和NPN 三極管Q1及LED組成的燈光電路起指示作用，即當TC35I 正常工作和連網后的指示作用。

3 程序流程設計

該系統的程序流程圖分為前端數據測量部分和后端數據處理部分，前端監測部分流程圖如圖11所示。

圖11 前端數據測量部分程序流程圖

由流程圖可以看出，該部分模塊要實現的功能包括對無線模塊的控制和對3 路人體信號的測量等，同時由于該模塊放置于人體的手指部分，故要求其小巧、輕便。同時正常人體能承受的缺氧時間為5 min 左右，如果人體缺氧超過10 min，大腦將會受到不可逆的損害，因此將重復檢測的時間劃定為3 min 檢測一次，每次檢測30 s，比較合適，其目的在于能降低前端系統的功耗，節約使用成本。如果在某一次檢測時檢測到了異常情況，如血氧濃度下降比較大、脈搏減小到一定程序時，將進入緊急模式，將檢測的周期變為每30 s 檢測一次，每次檢測的時間增加為1 min，其目的在于排除在某次檢測中的不準確數據、同時也能減少一些不必要的功耗。

后端數據處理部分如圖12 所示。

圖12 后端數據處理部分程序流程圖

通過程序流程圖可以了解到:后端模塊的功能包括接收前端模塊傳來的數據、通過彩屏顯示相關數據、控制TC35I 模塊。其中TC35I 模塊除了能發送短信外，還有打接電話的功能。為了盡可能大的擴展該系統的實用性與廣泛使用性，所以必須要實現TC35I 的打接電話功能。同時為了降低功耗，增長電池的使用壽命，要將該部分模塊的功能設置為低功耗模式，由鍵盤(由人觸摸鍵盤)、TC35I 模塊(有外電話撥入)、無線模塊(接收到從前端測量到的相關數據)等幾部分產生的信號將MCU 從低功耗中喚醒并執行相關的功能。

4 系統實驗樣品模塊及測試

4.1 系統實驗樣品模塊

本系統實驗樣品已實現主要功能，其系統如圖13 ～圖17 所示。

圖13 前端檢測指套內部圖

圖14 前端檢測指套外觀圖

圖15 后端控制模塊實物圖

圖16 正常測試效果圖

圖17 異常測試( 人為修改數據) 效果圖

4.2 實際功能測試

為驗證該系統在實際環境中時候能夠完成測試及報警功能，特在四川理工學院學生中選擇了10 位學生(5 男5 女)進行測試，測試條件為正常狀態下測試和慢跑15 min 的測試。正常狀態下測試結果如表1 所示。

表1 正常狀態測試結果

表1 說明，在正常條件下，10 位同學均為正常生理狀態。系統測試正常。在慢跑15 min 后測試結果如表2 所示。

表2 慢跑15 min 后測試結果

上表測量說明在慢跑時人體脈搏搏動次數將會顯著上升，血氧飽和度變化不大，體溫略有升高。在12 min ～15 min 左右均測量出了脈搏持續異常，發出報警短信，說明短信報警功能基本正常工作。由于測試條件限制，無法找到實際血氧飽和度和體溫持續異常狀態人群，所以在實際中暫時沒有對該類人群做出檢測報警，僅在實驗室測量時通過特殊手段，如修改單片機檢測數值進行驗證。所以測試性能還需經過進一步實際驗證。

5 結束語

本文描述的是一種基于GSM 便攜式人體生理信號監控報警系統設計。該系統屬于醫療保健設備，具有成本低、電路結構穩定簡單、系統維護方便、測量精確，其適用對象為中老年人群。本系統在老齡化日益嚴重的今天，有著非常廣泛的應用前景和廣闊的市場，同時，本系統中的MCU 還有部分功能和端口并沒有完全被使用，因此本系統的可擴展性也非常的強。另外，如果能將本系統作為一終端機，同時結合上位PC 機制作成為一小區老年人身體信息統計系統，其實用性又能更大的擴展。

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