基于STC的智能醫療監控系統設計與實現

侯宗越 賈天豪 黃瑤 李金曉 李佩雯

摘? ?要：文章設計并實現了一種智能醫療監控系統，可以對人體進行健康檢測，快速準確地測量人體體溫、心率，防摔倒等，并將測量的數據實時傳輸到手機APP上。本系統基于STC單片機進行設計，主要由紅外測溫、心率測量、藍牙傳輸3部分組成。采用MLX90614測量體溫，運用紅外傳感器采集與心跳同頻率的信號，引用藍牙通信技術實現數據實時傳輸，開發APP顯示測量信息，實現身體狀況監測報警功能。該監測裝置精度較高，操作方便，成本較低，具有較好的應用前景。

關鍵詞：體溫測量;藍牙通信技術;紅外線傳感器;MLX90614

快節奏的生活使得人們越來越注重效率，人民生活水平的提高使人們越來越“重預防，查未病”，因此，定期去醫院體檢顯得頗為浪費時間。本研究的目的在于做出一個基于STC的智能醫療監控系統，能夠達到測量人體的一些常規參數，如環境溫濕度、人體體溫、心率等，用藍牙將數據傳輸至手機端，進行數據采集和保存，以此對人的身體狀況進行監測，節省體檢時間，促使做到及時發現并處理身體出現的狀況。智能醫療監控系統改進了體檢模式，以手環為載體，將體檢轉變為一項可以在線上完成的活動，提高就醫效率，節約時間，使人們對自己的健康狀況有一個更好地把握。同時，改變了智能手環的現狀，目前市場上的智能手環都是側重于睡眠質量檢測等基礎功能[1]，本研究增加了4方防摔倒報警器功能，使得該工具實用性及價值更有體現，測量數據存儲在手機里面，方便隨時調取和檢測，將預防和把控自身健康狀況變得簡單明了。

1? ? 系統的組成和工作原理

1.1? 系統組成

智能醫療監控系統主要包括紅外測溫模塊、心率測量模塊、跌倒檢測模塊、溫濕度模塊、藍牙傳輸模塊。

1.2? 工作原理

初始狀態時，按下電源按鍵，溫濕度傳感器開始測量所處環境狀態，并在1602顯示屏上進行顯示。

跌倒檢測模塊，在智能醫療監控系統中，當3軸加速度計檢測到任意一個方位的傾角大于45°時，會推進蜂鳴器發出報警信號。同時，設有一個按鍵關閉蜂鳴聲，在已知的情況下防止噪聲過大。

體溫檢測電路的設計采用紅外檢測，將所測部位置于傳感器端口1 cm左右位置，自動進行掃描并且將讀數顯示在顯示屏上。脈搏采集模塊采用ST188紅外對管模塊，先將拇指按壓在檢測器上，調控壓力的大小，使得指示燈閃爍維持在一個較為均勻穩定的狀態下，從而打開脈搏采集開關，數據顯示在顯示屏上。以上所測量得到的數據都可以通過串口將數據打包發送至PC端，或者通過藍牙端口發送至手機APP[2]，可以對身體狀況進行實時監控、預防和及時把控健康方面的變化給出相應的應對措施。

2? ? 系統硬件設計

由系統原理易知，系統包含大量硬件單元，本文重點介紹紅外測溫模塊、心率測量模塊、跌倒檢測模塊3個核心模塊。

2.1? 紅外測溫模塊

紅外測溫模塊采用MLX90614芯片（見圖1）。MLX90614可以實現放大、濾除雜波、模數轉換等功能，允許在﹣40～125 ℃的溫度范圍內正常工作，所以完全可以用于體溫測量。

MLX90614系列測溫芯片是一種便攜的高精度紅外測溫芯片。MLX90614紅外溫度傳感器可配置在EEPROM中，用于3種輸出：脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）、串行總線和熱繼電器。所有這些輸出都提供了測量溫度、線性化并可隨時使用。

用數字的方式輸出溫度是線性化的，可以補償環境溫度。對于PWM選項，連續脈沖序列的占空比（高電平在脈沖周期所占比例）來反映測量的溫度。將該脈沖序列通過低通濾波器，阻擋高頻信號的通過而使低頻信號通過，可得到模擬值測量的平均值。讓它可以在一定溫度變化范圍內保持0.01 ℃的溫度精確度。

心率信號采集電路、信號放大電路、信號處理電路和LCD顯示電路是心率測量計的主要組成部分。用戶在檢測心率時，紅外傳感器首先收集與心跳同頻率的微弱信號，紅外發射光的強度與人體組織半透明度有關，數值較大時，紅外發射出光的強度很弱，無法導通光敏三極管，于是輸出高電平。反之，輸出低電平。這樣形成的低頻率微弱信號與信號頻率和震動次數有關，且其關系呈正相關，波形近似于周期正弦函數[3]。

紅外傳感器接收到的是低頻信號。為了加到線性放大器的輸入端時不產生額外干擾，該低頻信號需要通過RC振蕩器濾波以消除高頻信號。隨后，信號再經過運算放大器被放大幾十倍。如果傳感器檢測到較強的干擾噪音時，其輸出端的直流電壓信號會有大幅度的波動，導致測量結果不準確。

首先，經過微分處理后，正弦信號變成尖脈沖信號。其次，尖脈沖信號被單穩態振蕩電路轉化為同頻率的長脈沖信號，單片機接收到該長脈沖信號后，單片機控制的軟件開始處理信號。最后，以數值形式顯示在LCD屏幕上。

2.2? 跌掉檢測模塊

防摔倒模塊采用ADXL345芯片。G-Cell傳感器感知3個相互正交的的方向上的加速度，感知的加速度以電壓信號輸出。

G-Cell傳感器的結構可簡化為3塊電容極板（見圖2），由化學元素硅經半導體工藝制成，兩端的極板固定，中間的極板在加速度的作用下，向無加速度的位置偏離，導致它到極板一端的距離變短，另一端變長，從而造成電容值的變化。電容值的變化量最終體現在電壓的輸出值上，實現對加速度的測量。

3? ? 系統軟件設計

本軟件的系統根據運行環境的不同，可以分為嵌入式程序、上位機軟件系統兩部分。其中，嵌入式程序運行在STC89C52單片機上，上位機軟件系統運行在上位PC機上。

3.1? 嵌入式軟件系統

嵌入式軟件系統運行在STC89C52單片機上，負責完成狀態自檢、紅外測溫、心率檢測、溫濕度檢測、跌倒報警、數據傳輸、LED顯示等功能。圖3為以紅外測溫模塊為例的嵌入式軟件系統架構。

3.2? 紅外測溫模塊

所有有溫度的物體都會向空氣中輻射紅外線，人體紅外測溫儀的原理就是通過接收人體輻射出的紅外線能量的大小來測量其體溫的儀器[4]。測量的能量信息傳輸到中央處理器中進行處理，然后轉換成溫度讀數在LCD顯示屏上顯示。

紅外測溫儀程序包括，溫度模塊、主控模塊、顯示模塊、時間測量模塊4個部分（見圖4）。首先，寫起始條件、分配地址、寫入堆棧，表示要讀取的溫度。其次，開始讀取溫度值，再重新發送起始條件、寫讀命令，讀命令分步進行，先讀取正確溫度信息，再讀取錯誤信息[5]。

3.3? 跌倒報警模塊

在運動時，身體各個部位都發生不同程度的運動，運動就會產生加速度，所以我們選擇加速度來衡量個體的運動。個體運動包括3個分量，即前向、豎向和側向（見圖5），分別代表“滾動”“偏航”“俯仰”。ADXL345可用于檢測各個方向上的加速度。由于不知道計步器的具體方面，因此測量精度不應依賴于運動軸與加速度計測量軸之間的關系。

如果加速度變化太小，步伐計數器將處于等待狀態，直到加速度變化大時，即為檢測到跌倒信號，則啟動報警裝置發出警報。

3.4? 心率檢測模塊

心率檢測模塊程序首先要進行程序初始化將單片機重置，這是單片機正常工作的基礎，程序和中斷程序才能正常運行。再將各部分全部設置為零，當輸入信號時，如果單片機各部分仍然顯示為零，則說明心率計沒有正常工作，需要檢測何處出現問題。反之，則正常工作，邏輯框架如圖6所示。

定時是設計中比較重要的一部分，目的是為了確立好采樣時間。系統運用定時器T0定時來實現，為了消除外界信號的干擾，定時器中斷程序對滿足要求的頻率保留，過濾掉不滿足要求的頻率。因為心率的有效測量范圍為35～125次/min，所以濾除掉小于35次/min和大于125次/min的脈沖信號，心率檢測模塊的程序是一個無限循環語句，當觸發中斷時，程序便跳轉到中斷子程序，中斷子程序的作用是對心率進行計數，如果達到計數要求，則將測量得到的二進制數轉換為十進制數送到LCD屏幕顯示。如果沒有達到要求，則返回等待程序再次發生中斷，直到采樣次數滿足要求為止。

3.5? 藍牙串口APP

記錄上述模塊數據并通過藍牙傳輸到APP上，傳輸過程如圖7所示。

4? ? 結語

基于STC的智能醫療監控系統分為硬件和軟件兩個部分，硬件由STC89C52單片機、MLX90614（紅外傳感器）、接收發射模塊、ADXL345數字加速度計模塊、DHT11溫濕度傳感器模塊、藍牙模塊及LCD1602顯示模塊組成。軟件為手機APP，用于接收硬件模塊上的藍牙模塊傳輸的測量信息。最終實現了心率檢測、紅外測體溫、跌倒檢測報警、環境溫濕度檢測等功能，并將所有數據顯示到1602顯示屏上，通過藍牙傳送到手機端。

基金項目：江南大學2018年度大學生實踐創新訓練計劃項目;項目編號：2018309Y。

作者簡介：侯宗越（1997— ），男，山東淄博人，本科生;研究方向：通信工程。