基于壓力傳感器的嬰兒嗆奶窒息監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

湯少嫻　植文浩　莫忠

摘 要：本文基于壓力傳感器設(shè)計了一種防止嬰兒嗆奶窒息的睡眠呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)由嬰兒可穿戴設(shè)備和單片機(jī)主控芯片兩個部分組成。穿戴設(shè)備上主要是HKH-11C數(shù)字呼吸傳感器，通過壓電材料在人體腹部檢測人呼吸產(chǎn)生的腹部收縮和舒張壓力的變化來采集嬰兒的呼吸信號，經(jīng)過前置放大、信號調(diào)理、幅度調(diào)整、AD、USB通信等電路，輸出呼吸波形數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送與接收，實(shí)現(xiàn)嬰兒嗆奶窒息的及時監(jiān)測。該嬰兒嗆奶窒息的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時地監(jiān)測到嬰兒在睡眠時的呼吸波，并且在嬰兒發(fā)生嗆奶時可發(fā)生警報。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng);壓電傳感器;窒息

一、緒論

嬰兒的健康成長對一個家庭的重要性不言而喻，對嬰兒進(jìn)行必要的監(jiān)護(hù)能夠促進(jìn)嬰兒健康成長。然而，嬰兒嗆奶窒息導(dǎo)致死亡的事件頻頻發(fā)生。嬰兒經(jīng)常會出現(xiàn)嗆奶現(xiàn)象，因?yàn)閶雰旱奈溉莘e比較小、賁門括約肌還沒發(fā)育成熟，關(guān)閉不緊，以至奶水逆流。由人體的氣管結(jié)構(gòu)可知，人體的食道開口與氣管開口在咽喉部的位置是相通的，這樣會導(dǎo)致嬰兒在嗆奶時奶水極其容易逆流到氣管，容易導(dǎo)致吸入性肺炎，甚至奶汁堵塞了氣道，發(fā)生呼吸困難和缺氧窒息死亡，而發(fā)生嗆奶的最佳搶救時間極短，如搶救不及時極易造成嬰兒窒息死亡[1-3]。另外，嗆奶窒息的情況大多出現(xiàn)在嬰兒睡覺的時候。在日常生活當(dāng)中，嬰兒是一種特殊的人群，他們沒有形成完整的意識，尚未具有自主表達(dá)個人意愿的能力，所以監(jiān)護(hù)人往往只能利用嬰兒發(fā)出的哭泣聲作為信號去查看嬰兒是否處于不正常的狀態(tài)。但是，監(jiān)護(hù)人很難做到對嬰兒的24小時無間歇照看，特別是晚上監(jiān)護(hù)人也處于深度睡眠時。因此，在窒息的狀態(tài)下嬰兒很難通過哭啼的方式去引起監(jiān)護(hù)人的注意。若監(jiān)護(hù)人沒有及時察覺到嬰兒發(fā)生窒息，在短短的幾分鐘內(nèi)嬰兒便會因?yàn)橹舷⑷毖踉斐刹豢赡娴哪X損傷，嚴(yán)重時甚至?xí)猩ｋU。因此，通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對嬰兒嗆奶窒息的預(yù)防是非常有必要的[4]。

呼吸是人體的重要生理過程，呼吸有兩種方式，一種是腹式呼吸，還有一種是胸式呼吸。嬰兒、兒童以及男性的呼吸方式都是以腹式呼吸為主的，所以在初睡時腹式呼吸比較重，肚子會起伏，這是正?，F(xiàn)象。呼吸時主要可見腹部起伏是因?yàn)楹粑∫噪跫∵\(yùn)動為主。因此，可通過監(jiān)測嬰兒腹部變化來判斷其呼吸情況，并結(jié)合技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對嬰兒嗆奶窒息進(jìn)行預(yù)防[5-7]。

本文以MSP430芯片作為主控制器，壓力傳感器為信號采集模塊。開發(fā)一款防止嬰兒嗆奶窒息的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。通過USB數(shù)據(jù)線將傳感器和單片機(jī)結(jié)合在一起，形成數(shù)據(jù)輸入處理系統(tǒng)。單片機(jī)將傳感器采集的數(shù)字信號加以處理，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊把呼吸信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒澍Q器，實(shí)現(xiàn)報警預(yù)防。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

目前，國內(nèi)市場關(guān)于嬰兒嗆奶的監(jiān)測裝置主要基于氧氣濃度、二氧化碳濃度的檢測。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要包括兩大部分，一部分是對嬰兒呼吸狀態(tài)檢測的信息采集模塊，采用壓力傳感器直接采集腹部呼吸信號;另一部分是對所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并控制報警的實(shí)時監(jiān)測模塊，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過前置放大、信號調(diào)理、幅度調(diào)整、A/D轉(zhuǎn)換、USB通信等電路，輸出呼吸波形數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送與接收，實(shí)現(xiàn)嬰兒嗆奶窒息的及時監(jiān)測。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）數(shù)據(jù)處理模塊

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器?？梢愿鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上。具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗等特點(diǎn)。

（二）呼吸信號采集模塊

根據(jù)工作原理的不同，主要有壓電、壓容和壓阻三種壓力傳感器。而壓電傳感器利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，如圖2所示，當(dāng)壓電材料受到外力的作用時，內(nèi)部就會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，如果當(dāng)外力作用的方向發(fā)生改變的時候，電荷的極性也會隨之發(fā)生變換。

本文采用高分子壓電材料感應(yīng)由于人體呼吸產(chǎn)生的腹部壓力變化信號，模擬電壓信號輸出。用腰帶將呼吸傳感器固定在肚臍上方或下方，由于呼吸時產(chǎn)生的腹部起伏，對傳感器壓電感應(yīng)面施加了變化的壓力，傳感器將這個變化的應(yīng)力轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，如圖3所示。

（三）模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)采用的集成芯片為MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。ADC10是MSP430單片機(jī)上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換位數(shù)為10比特，該模塊內(nèi)部是一個SAR型的AD內(nèi)核，可以在片內(nèi)產(chǎn)生參考電壓，并且具有數(shù)據(jù)傳輸控制器。數(shù)據(jù)傳輸控制器能夠在CPU不參與的情況下，完成AD數(shù)據(jù)內(nèi)存任意位置的傳輸。

（四）藍(lán)牙無線傳輸模塊

HC-08藍(lán)牙串口通信模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。設(shè)備低成本的收發(fā)器芯片，傳輸距離近、低功耗，現(xiàn)在的智能手機(jī)大部分都有藍(lán)牙通信的功能，呼吸傳感器可以配備專用的藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，藍(lán)牙模塊功耗低，特別適合于便攜式設(shè)備。

（五）蜂鳴報警模塊

傳感器采集的信號，通過單片機(jī)處理判斷呼吸的運(yùn)動情況，從而計算出呼吸的周期，監(jiān)測到有呼吸暫?，F(xiàn)象發(fā)生，且持續(xù)時間超過設(shè)置的閾值（10s）時，就會觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報警，報警電路如圖4所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用C語言對MSP430主控芯片進(jìn)行編程，系統(tǒng)原理框架流程如圖5所示。單片機(jī)接收到傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行處理，若發(fā)生呼吸信號暫?，F(xiàn)象（其功率小于設(shè)置的閾值，如3W），且持續(xù)該狀態(tài)的時間超過設(shè)置的閾值（10s），則啟動報警，完成一次監(jiān)測，否則，直接跳轉(zhuǎn)到結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)行下一次監(jiān)測。

五、測試結(jié)果

將傳感器固定在嬰兒的腰腹位置，嬰兒呼吸時由于腹部的運(yùn)動，使壓力傳感器受到其應(yīng)變力的作用產(chǎn)生相對應(yīng)的電信號，利用放大電路對這種信號進(jìn)行放大，最后輸出數(shù)字信號傳送到單片機(jī)。采集到的信號如圖6（a）所示，嬰兒在熟睡時候的呼吸波是比較平穩(wěn)且有規(guī)律的;出現(xiàn)異常時的呼吸波信號如圖6（b）所示。

六、結(jié)語

本文設(shè)計了一款體積小、價格便宜、操作簡單的防止嬰兒嗆奶窒息的監(jiān)測系統(tǒng)，該裝置可以在嬰兒發(fā)生嗆奶的時候發(fā)出警報并及時向家長反映嬰兒的狀態(tài)，提醒身邊的人及時采取急救措施。在實(shí)際應(yīng)用中有重要的意義，具有良好的市場要求和前景。

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基金項(xiàng)目：廣東省中山大學(xué)新華學(xué)院2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（201813902072）資助

作者簡介：湯少嫻（1997-），女，漢族，廣東廣州人，本科，研究方向：醫(yī)療儀器;植文浩（1997-），男，漢族，廣東廣州人，本科，研究方向：醫(yī)療儀器。

*通訊作者：莫忠（1985-），男，漢族，湖南邵陽人，碩士，講師，研究方向：醫(yī)學(xué)電子技術(shù)及生物傳感器。