基于Pulse Sensor的體征參數無線監控系統

摘要：為了實現人體體征參數的高精度測量，設計并實現了基于Android平臺、光電反射式脈搏傳感器Pulse Sensor、NTC溫度傳感器以及Wi-Fi通信電路的無線醫療監控系統。采用MSP430G2553單片機作為系統主控芯片，將采集的脈搏、體溫數據發送給MSP430G2553單片機的ADC進行處理，并通過Wi-Fi將數據實時傳輸到專用的Android APP上顯示和分析，如果超出設置的正常范圍將通過GSM網絡向監護人發送報警短信。實驗結果表明，該系統脈搏測量誤差在2BPM以內，體溫測量誤差在0.1度以內，并實現了測量結果的無線傳輸和報警功能，在醫療監控領域具有較高的應用前景。

關鍵詞：Android APP Pulse Sensor MSP430G2553 Wi-Fi GSM網絡

中圖分類號TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0090-03

Abstract： Awireless medical monitoring system，basedon theinternet of things Android platform， photoelectric reflecting pulse sensor， NTC temperature sensor and Wi-Fi communication circuit， is designed and implemented to realize high accuracy measurement of life sign parameters. MSP430G2553 is used as the master chip. Pulse and temperature collection can be transported by MSP430G2553 ADC. Also the data would be real-time transported to private Android APP for displaying and analyzing. Alarm messages would be sent to guardian while sign parameters have exceeded normal range. The Experimental results show that pulse measurement error is less than 2 BPM； temperature measurement error is less than 0.1 degree. The system makes wireless transmission and alarming possible， which has great application prospects in medical monitoring.

Key Words： Android APP； Pulse Sensor；MSP430；Bluetooth communication； GSM network

現如今人們越來越關注環境污染對人們身體健康的危害，各種霧霾神器熱售，人們對生活質量要求的提高使得對自身健康狀況越來越關注。脈搏和體溫是監控人體健康的重要參數，因此，本文設計并實現了一款可以對人體健康相關的體征參數--脈搏及體溫進行監測和報警的無線醫療監控系統，實現人體健康體征參數的實時監測，對人體的體征參數監護具有重要意義。

1 光電反射式脈搏傳感器

PulseSensor是一種光電反射式脈搏檢測傳感器，由光源和光電變換器兩部分組成，采用光電容積法，即血管搏動時人體組織透光率的不同[1]。將傳感器放置于指端，即光源照射指端，光束的透光率會隨著動脈搏充血容積變化而改變，由光電變換器接收經反射光并轉換為電信號。當光源的波長λ，光強為I0，根據Lambert-Beer定律，照射于指端時的透射光強I可表示為：

式中，指端組織被分為三種成分：動脈血液中的氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白以及皮膚、肌肉、靜脈血等組織，三者等效濃度為CHbO2、CRHb、C0，三者吸光系數εHbO2、εRHb、ε0，固定波長的光源吸收系數為ε，L0為皮膚、肌肉等組織的光程，L為動脈血液光程。其中L0、C0及ε為固定值，而血氧濃度的變化會引起CHbO2、CRHb的變化，因此隨著血氧容積的改變L成脈動性變化[4]。確定血氧濃度的重點就是用兩個方程計算出CHbO2、CRHb，故需要用兩個不同波長的發光管作為光源，根據實驗及成本因素，選用SMC810和SMC660LED作為光源。基于對可靠性、靈敏度、雜散電容低等方面的考慮，本設計選用環境光感受器APDS-9008作為光電接收器，接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。

傳感器后端還應有相應的放大電路、信號分離電路及濾波電路，有效的將兩個光源疊加在一起的反射信號進行分離、濾波，為A/D轉換提供可靠信號。電路框圖如圖1所示。

根據實驗此處放大電路選取INA321放大器，信號分離器選取CD4066，兩路濾波電路都是由巴特沃斯低通濾波器以及電壓放大器構成。傳感器信號經IN321放大后輸出單路混合信號，再經過分離變為Id660和Id810兩路信號，濾波后的Ia660和Ia810送往A/D轉換，由MSP430G2553的兩路A/D轉換通道接收模擬量數據。本設計將傳感器進行了遮光處理，測量脈搏時只需將傳感器套在手指上，這種測量方式使得測量時不會增加人體生理和心理上的不舒適感。

2 熱敏電阻溫度傳感器

本設計選用負溫度系數NTC環氧封裝熱敏電阻3K-3950，是電子體溫計專用的熱敏電阻，具有精度高，反應快的特性，25°C時該熱敏電阻阻值為3KΩ，精度高達0.16%，遠遠高于一般1%的熱敏電阻，保證體溫測溫范圍內實現高精度測量[3]。將熱敏電阻與精度為1%的2.5KΩ的電阻串聯，即可實現由溫度到阻值再到電壓變換的過程。MSP430G2553的ADC采集TEMP信號VT，根據：

3 系統設計

體征參數采集下位機由MSP430G2553單片機系統，電源電路、脈搏檢測電路、體溫檢測電路和Wifi通信模塊組成。采用Java JDK7編寫Android APP數據監測上位機軟件。

3.1 硬件設計

采用混合信號處理器MSP430G2553作為MCU，是具有精簡指令集（RISC）的16位超低功耗單片機，多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中[4]，因此在人體體征監測儀中能完全發揮其性能，且體積小，僅有20引腳，內部有基本時鐘、鎖頻環時鐘、DCO數字振蕩器時鐘三種模式，上電復位后首先由DCOCLK啟動CPU以保證晶振有足夠起振及穩定時間，然后再根據需要由軟件來配置寄存器確定最后的系統時鐘，從而實現該設計對低功耗的控制要求。片內集成了10位精度A/D轉換，可進行外部8路模擬信號輸入，采用序列通道多次轉換模式，可同時進行脈搏信號和體溫信號采集，以實現更快、更精確的采集，保證后續計算脈搏及體溫數據的準確度。

由于體征參數監測儀需向上位機不斷傳送大量的脈搏和體溫數據，因此選用USR-WIFI232-T進行無線傳輸，該模塊的數據接口有UART、PWM、GPIO三種方式，本設計采用UART方式即上位機Wi-Fi傳送的數據由USR-WIFI232-T模塊接收后會通過UART轉發給單片機，反之單片機通過UART向USR-WIFI232-T WIFI模塊發送數據便可以傳送到上位機中去。因此需要將單片機的串口數據發送引腳TXD接到WIFI模塊的數據接收引腳RXD，同樣既然是雙線收發引腳，雙方的另一個引腳也需要反接，便能實現數據雙向收發。

本系統采用外接5V供電，通過AMS1117-3.3V電源管理模塊將5V電壓轉換為3.3V給MSP430G2553小系統及USR-WIFI232-T模塊供電。系統整體電路圖如圖2所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 單片機軟件設計

采用基于開源的Eclipse平臺集成開發環境CCS編寫數據采集下位機MSP430G2553單片機軟件，主要完成實時脈搏和體溫數據的采集、處理以及發送，其軟件流程圖如圖3所示。程序開始時需要初始化MSP430單片機UART和ADC，將MSP430單片機與PulseSensor脈搏傳感器及體溫傳感器的數據引腳設置為ADC中斷模式，之后程序進入主循環中判斷Wi-Fi模塊是否有指令發送，如檢測到Wi-Fi模塊發送指令則表示Android APP連接上監測儀的Wi-Fi網絡，這時MSP430G2553單片機就會驅動脈搏傳感器和體溫傳感器采集實時的脈搏和體溫數據，采集完成后判斷數據有效便發送數據到Wi-Fi。本設計采用Wi-Fi模塊的UART方式，所以需要將Wi-Fi模塊的UART波特率設置的與MSP430G2553波特率相同，從MSP430單片機向Wi-Fi模塊發送過去的數據都會透明的傳輸到Android APP，因此Wi-Fi模塊完成的功能是有線串口數據到Wi-Fi無線數據的轉換，使用TCP通信方式無線傳輸。

3.2.2 AndroidAPP軟件設計

Android APP完成MSP430G2553單片機發送數據的接收處理和顯示功能。Android APP軟件流程圖如圖3所示。

程序開始時首先初始化Android APP的UI，該步驟主要是將界面XML文件與Android JAVA代碼文件關聯起來，實現界面與具體功能代碼的獨立編程。初始化UI步驟完成后根據用戶輸入的Wi-Fi模塊的IP和端口號進行連接，此處由于Wi-Fi模塊運行著一個TCP服務器，因此Android APP連接Wi-Fi模塊時作為一個TCP客戶端根據服務器的IP和監聽的端口號進行連接。Android APP連接Wi-Fi模塊成功后發送查詢脈搏和體溫數據的指令給MSP430G2553單片機，并通知MSP430G2553連接成功，令其采集實時的脈搏和體溫數據發送過來。當Android APP的TCP客戶端判斷有Wi-Fi模塊發送過來的數據時對相應的數據進行接收，并進行一定的分割后保存在APP上供用戶查詢。接著判斷用戶的脈搏和體溫數據是否異常，如果異常則即時在Android APP上進行響鈴報警，并通過GSM網絡發送短信給監護人。

4 系統測試

體征參數無線監測儀的硬件和軟件設計完成后需要通過系統測試環節來驗證整個系統采集的數據是否準確，方法是使用本文設計的監測儀采集脈搏和體溫數據與市場上比較成熟的產品力康PC60NW和醫用體溫計測量的數據進行大量的數據對比，并將檢測儀與上位機距離15米。

數據對比表格如表1所示，對脈搏、體溫數據進行對比發現本設計的體征菜蔬監測儀測量的脈搏數據與成熟產品的誤差基本維持在2BPM以內，體溫數據的測量與成熟產品的誤差基本維持在0.1度以內，滿足系統設計要求。

5 結語

設計并實現了一種新型的人體體征參數無線監測儀，通過Pulse Sensor脈搏傳感器和YSI-400溫度傳感器實時監測人體的脈搏及體溫兩個體征數據，并實現數據的Wi-Fi無線收發，脫離繁瑣的接線，傳輸距離達到幾十米。Android APP可以永久記錄用戶的脈搏、體溫數據，對每次采集的數據進行分析處理，如果數據出現異常可以進行實時報警，防止意外發生。該設計檢測精度高、方便攜帶、無線傳輸性能穩定，對家庭、醫療、老人院等場所有很強的市場應用價值。

參考文獻

[1]單志勇.常用生理參數的測量原理[J].中國醫學裝備，2006，3（4）：23-24.

[2]趙亭.基于車聯網的汽車智能防盜系統設計[J].電子技術應用，2015（3）：61-64.

[3]郭維.穿戴式人體生理參數監測系統的研究與實現[D].吉林：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2012.

[4]曹靖華.基于無線傳感器網絡的遠程醫療監護系統研究[D].上海：上海交通大學機械與動力工程學院，2008.

[5]James Talbot，Justin McLean. Learning Android Application Programming[M].United States of America，2012.

收稿日期：2016-09-06

作者簡介：王宇（1982—），女，回族，河南南陽人，碩士，講師，研究方向：電子技術，物聯網。