基于“去中心化”的人體生理參數(shù)檢測儀設計

王忠 孫瑋 胡芳凝 張豪 王騰騰

摘 要：文中提出一種新的模塊化智能檢測儀設計方案。硬件采用核心板加外部擴展模塊的形式，以單片機平臺為主體，擴展組態(tài)串口屏、傳感器、GPS模塊、WiFi模塊等外設。核心板CPU為STM32 ，人機界面采用組態(tài)串口屏，血氧模塊使用MAX30102，WiFi模塊使用ESP8266和MQTT傳輸協(xié)議，選用移動OneNET平臺。文中詳細闡述了各模塊的設計思路，使用的去中心化設計方法降低了開發(fā)難度，具有很高的推廣價值。

關鍵詞：去中心化;串口屏;體溫測量;傳感器;智能檢測;WiFi模塊

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

開發(fā)一款易用、易維護的人體生理參數(shù)智能檢測儀，讓自助進行人體心電、脈搏、血氧等生理體征參數(shù)的檢測成為可能。數(shù)據(jù)能本地顯示、存儲、報警，并將檢測結(jié)果上傳到云服務器，實現(xiàn)手機APP同步顯示和數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)分享，也能與遠程醫(yī)療平臺對接。

1 總體設計方案

1.1 系統(tǒng)總體構成

系統(tǒng)由檢測儀終端、數(shù)據(jù)處理云服務器、移動手機端APP構成。設備通過WiFi接入無線網(wǎng)絡，云平臺采用中國移動OneNET云平臺，用于存儲和后處理數(shù)據(jù)，進行健康狀況分析、預警，移動手機端APP用于顯示信息以及醫(yī)患交流、數(shù)據(jù)分享[1]。

檢測儀硬件主要分為主控板、生理數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源管理模塊。主控板完成核心控制功能，生理數(shù)據(jù)采集和后處理由各模塊獨立完成，再上傳主控板，組態(tài)串口屏獨立完成顯示功能，通過UART串口與主控板交互。系統(tǒng)功能不再集中到主控板，而是分散到各模塊。

1.2 系統(tǒng)功能描述

檢測儀終端采集人體生理參數(shù)，電容顯示屏以圖文形式顯示相關數(shù)據(jù)和人機交互。當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)遠程報警。報警時，對數(shù)據(jù)進行分析處理，必要時可根據(jù)地理位置開展救助。檢測儀整機設計方案如圖1所示。

2 硬件設計詳述

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，核心控制采用STM32低功耗系列處理器，具有4個UART串口[2]。電源選擇可充電大容量鋰電池和外部供電雙電源系統(tǒng)。WiFi模塊采用通用ESP8266模塊，液晶屏采用廣州大彩公司設計生產(chǎn)的組態(tài)串口液晶屏，位置定位使用中科微GPS定位模塊ATGM336H-5N，該模塊功耗較低，可使用電池供電，配合一鍵呼救功能，確保緊急情況下能進行遠程定位。上述三模塊均采用UART接口與MCU對接。

2.1 體溫測量模塊

體溫測量采用探頭式結(jié)構，探頭放于人體腋下，溫度傳感器為負溫度系數(shù)NTC熱敏電阻， 常見的熱敏電阻測溫范圍為-20～200 ℃，精度可達0.1 ℃，符合體溫測量要求[3]。選擇熱敏電阻型號為MF54-503E3950FA-30，測溫精度0.01 ℃，阻值精度±0.05%;

基本溫度測量電路如圖2所示。電路由穩(wěn)壓輸入、測溫電橋、放大電路構成。穩(wěn)壓輸入模塊使用穩(wěn)壓芯片TL431，體溫測量采用電橋和放大電路實現(xiàn)。NTC電阻位于電橋電路左上臂，放大電路采用TI公司設計生產(chǎn)的OP07芯片，將熱敏電阻隨人體溫度變化而產(chǎn)生的變化通過電橋輸出電壓送入放大電路，得到方便測量的電壓信號，ADC采用高精度連續(xù)自校準模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，將電信換算成體溫數(shù)據(jù)。為減少誤差，還需要進行標定和誤差補償處理，由單片機完成。將體溫測量部分電路加上ADC傳感器、單片機做成相對獨立的模塊，再通過UART接口接入系統(tǒng)核心板，保證數(shù)據(jù)精度符合醫(yī)療行業(yè)標準。

2.2 心率血氧測量模塊

采用Maxim公司設計生產(chǎn)的MAX30102芯片作為測量心率血氧參數(shù)傳感器，數(shù)據(jù)符合行業(yè)標準。該芯片體積小，可應用在可穿戴設備上實現(xiàn)心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。通過標準I2C通信接口，將采集到的數(shù)值傳輸給單片機進行后續(xù)的心率和血氧計算。

為了進一步提高芯片的實用性和可靠性，將芯片及其周邊元件集成在一個模塊上，如圖3所示，使用時通過I2C接口接入核心板即可。

2.3 組態(tài)串口屏模塊

顯示和人機交互模塊采用新型組態(tài)串口屏，內(nèi)部集成 TFT 顯示驅(qū)動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC 顯示、各種組態(tài)控件于一體。系統(tǒng)采用 Cortex-M3+高速FPGA處理器，通過ARM實現(xiàn)協(xié)議的解析處理和USB圖片下載，F(xiàn)PGA主要完成FLASH的圖片讀取和TFT控制顯示。使用功能相對獨立的串口屏，使系統(tǒng)控制功能和顯示功能分離，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，可靠性高。

3 系統(tǒng)的軟件設計

軟件劃分為四部分，分別是檢測儀的主程序控制;ESP8266模塊的WiFi接入;云平臺接入;手機端APP開發(fā)。

3.1 單片機核心控制部分

體溫測量模塊和血氧測量模塊均為獨立模塊，通過I2C接口接入單片機，ESP8266模塊、GPS定位模塊、組態(tài)串口屏模塊均通過UART串口接入單片機[4]。

顯示功能采用組態(tài)串口屏，數(shù)據(jù)顯示和人機交互均通過串口發(fā)送指令實現(xiàn)，控制功能和人機界面功能分離。因此系統(tǒng)初始化后，運行一個簡單的前后臺系統(tǒng)即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用ESP8266模塊接入WiFi，在其開發(fā)平臺上利用Lua腳本語言實現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括WiFi智能路由無線連接功能、MQTT客戶端與MQTT云服務器端數(shù)據(jù)通信功能，由于該模塊功能比較成熟，本文不再詳述[5]。

3.3 OneNET云平臺

OneNET是中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，開發(fā)文檔完善，開發(fā)者只需按照OneNET平臺的規(guī)范接入平臺，上傳設備數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)存儲在云端，需要時可以從云平臺下載到本地進行分析處理，平臺提供觸發(fā)器功能，可以將滿足條件的數(shù)據(jù)推送給第三方，本文利用平臺的觸發(fā)器功能，將數(shù)據(jù)推送到第三方服務器。

4 系統(tǒng)測試

搭建系統(tǒng)后，對終端進行測試，同時開啟手機APP，云平臺和手機同步顯示生理數(shù)據(jù)，如圖4所示。當人體出現(xiàn)異常時，將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務器，醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務器會對監(jiān)測對象進行定位，位置顯示在電子地圖上，同時顯示報警監(jiān)測對象的詳細數(shù)據(jù)信息、個人聯(lián)系方式、詳細的地圖定位。測試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與報警、監(jiān)測對象位置定位等功能。手機APP顯示測量結(jié)果如圖4所示。

5 結(jié) 語

本文提出一種去中心化的新型產(chǎn)品設計思路，類似計算機分布式處理，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的去中心化。體溫測量模塊和血氧模塊作為獨立模塊出現(xiàn)，并單獨進行數(shù)據(jù)處理，保證測量數(shù)據(jù)符合相關標準，核心處理器MCU只負責接收各模塊的數(shù)據(jù)并控制，顯示和人機交互部分采用相對獨立的組態(tài)串口屏，實現(xiàn)控制和顯示功能的分離，對MCU的資源要求降低。WiFi接入和GSP定位模塊也采用了相對獨立的模塊。

各模塊功能相對獨立，模塊內(nèi)部功能高度內(nèi)聚，模塊之間低耦合，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)可靠性，方便后期故障檢測和維護。試驗表明，本設備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，人機界面友好，這種將功能合理分散的“去中心化設計”思路有很高的借鑒價值。

參 考 文 獻

[1]孫松麗，周軍.一種人體脈搏遠程醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2018，26（3）18-20.

[2]苑冬梅，楊坤.基于NTC的體溫測量系統(tǒng)設計[J].醫(yī)學工程技術，2017，32（11），98-99.

[3]唐曉艷，金濤.ZigBee生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].福州大學學報，2015，43（5）：643-644.

[4]王浩. 基于ESP8266WiFi平臺和MQTT協(xié)議的遠程設備數(shù)據(jù)采集與控制設計[J].泰山學院學報，2017，39（6）：86-87.

[5]黃萬風.基于嵌入式的家用心血管功能檢測儀的系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2017，40（6）：161-162.

[6]曹昌盛，徐銘，伍守豪.基于PPG信號的無創(chuàng)血氧飽和度測量終端的設計[J].電子設計工程，2017，25（7）：58-59.

[7]陳真誠，甘永進，朱健銘.基于AFE4400的反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（5）：91-92.

[8]黃偉榮.可穿戴式健康參數(shù)監(jiān)測方法與系統(tǒng)設計[D].西安：西安理工大學，2018.

[9]白鵬飛，劉強，段飛波，等.基于MAX30102的穿戴式血氧飽和度檢測系統(tǒng)[J].激光與紅外，2017，47（10）：1276-1280.

[10]李皙茹，許金林，李曉風，等.一種基于綠光的可穿戴式光電容積脈搏波測量系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（20）：126-128.