基于WiFi的血氧和心率云監控系統

吳英迪 郭延東 張亞寧

摘 要：傳統的無線可穿戴血氧測量設備的數據通常使用藍牙傳輸，需要配合手機APP使用，且數據量小，難以依托其數據進行復雜分析。為了解決這一問題，文中設計了一種使用WiFi將監測模塊數據直接傳到云上的系統，可以實現血氧飽和度及心率的采集、傳輸和分析。實驗證明，該系統能夠及時準確地將大量原始采樣數據直接上傳至云端，并在云端服務器的算法和程序配合下實現血氧飽和度和心率的計算，以及數據的存儲、查詢、監控、告警等功能。

關鍵詞：物聯網;WiFi;血氧和心率云監控系統;MAX30102;ESP8266;STM32L476RG

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

隨著社會經濟的高速發展，人們的工作與生活壓力不斷增加，心血管疾病的發病率在我國居高不下。同時，由于氣候變化、季節交替、城市人口密集等因素，肺炎等呼吸系統傳染病已成為我國人群的常見疾病和多發疾病。很多人因為發現晚、就診不及時導致病情惡化并危及生命，因此對于人體的血氧飽和度和心率信息的監控至關重要。傳統心率血氧儀和可穿戴式脈搏血氧儀通常使用有線方式采集數據，并在本地保存。有部分研究者通過藍牙+APP[1]或LoRa基站[2]等方式將數據傳到云端。但這些方式均存在缺點：有線傳輸方式可移動性差，無法隨人體實時移動;藍牙傳輸需要配合開發手機APP，而目前主流的手機操作系統存在丟數據等問題;LoRa傳輸需要部署專門的基站，投入和運營成本高。

本文提出了一種基于WiFi技術的血氧和心率云監控系統，其結構如圖1所示。使用WiFi模塊進行數據傳輸，可以很好地解決上述傳輸方式存在的問題。該系統通過WiFi高速數傳模塊不僅能夠將血氧、心率生物傳感器的輸出數據直接傳送至云端，由云端服務器完成血氧飽和度和心率計算，還為實現復雜分析算法提供了原始數據和算力保障，并降低了數據采集端的功耗。此外，系統部署在阿里云服務器的服務端，實現了與微信公眾號的對接，可將監控數據發送到用戶手機端，無需額外開發APP。

1 系統設計方案

1.1 系統總體設計

血氧和心率云監控系統的總體設計方案框圖如圖2所示。

傳感器模塊MAX30102在指尖部采集原始脈搏波信號，由單片機處理打包成原始數據包，并通過接入WLAN AP（無線接入點）的WiFi串口模塊ESP8266連接到公網，將原始數據包經互聯網發送到云端服務器進行計算、存儲。在云端服務器上部署相應的服務，對數據進行查詢和監控等操作。用戶可以通過微信公眾號查詢，如果出現異常數據，相應告警也可通過微信公眾號推送到用戶手機端。

1.2 系統硬件設計

系統硬件主要包括血氧心率傳感器模塊、微控制器模塊、WiFi通信模塊和電源模塊。系統硬件設計模塊如圖3所示。

血氧心率傳感器模塊使用美信半導體出品的MAX30102模塊，它是一個集成高靈敏度脈搏血氧儀和心率生物傳感器的模塊，含有多個LED、光電檢測器、光學器件，以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路[3-4]。MAX30102模塊采用1.8 V和3.3 V電源供電，使用標準I2C兼容的通信接口與控制器通信。模塊可通過軟件設置為功耗幾乎為0的待機狀態，從而大幅降低平均使用功耗，延長使用時間。

微控制器模塊使用意法半導體生產的STM32L476RG微控制器[5-6]，它基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內核的超低功耗微控制器，工作頻率高達80 MHz，具有單精度浮點單元（FPU），支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型，并且實現了全套DSP指令和存儲器保護單元（MPU），加強了應用安全，還嵌入了高速存儲器（閃存高達1 MB，SRAM高達128 KB）、用于靜態存儲器的外接存儲控制器（FSMC）、Quad SPI閃存接口、I2C接口等增強型I/O接口和外設。

WiFi通信模塊使用樂鑫科技生產的ESP8266EX WiFi通信模塊，它內置低功耗32位CPU，并且集成了天線開關、射頻 balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊[7-8]，支持IEEE 802.11b/g/n協議和STA/AP/STA+AP三種工作模式[9]，深度睡眠保持電流為10 μA，關斷電流小于5 μA，是專為移動設備、可穿戴電子產品、工業無線控制、智能家居和物聯網應用而設計的低功耗WiFi通信模塊[10]。

1.3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括兩部分，分別為STM32L476RG微控制器上運行的脈搏波信號原始數據采集、打包、上傳程序和云端服務器上運行的血氧飽和度和心率計算、存儲、監控、告警推送程序。系統軟件流程如圖4所示。

2 實驗結果與分析

2.1 服務器與微信公眾號的對接

用戶可通過微信公眾號查詢血氧、心率數據，同時也可以打印MAX30102的原始數據信息，如圖5所示。由于ESP8266傳輸速率較高，可以將MAX30102血氧、心率生物傳感器的采樣率設置為100次/s，采樣精度設置為18 bit原始數據，并全部送至云端服務器，為進一步診斷與分析提供有力的數據支撐。

2.2 采集端與服務端數據比較

實驗使用STM32L476RG串口打印采集端的原始數據包與部署于阿里云的服務端收集到的原始數據包，并進行內容比較。采集端和服務端原始數據包的比較結果見表1所列。

ESP8266 WiFi傳輸模塊能夠可靠、連續的向服務器端發送數據。在測試中，丟包率為0，采集端與服務器端數據匹配率為100%。

2.3 傳輸時延

ESP8266 WiFi傳輸模塊與阿里云服務器[11-12]之間的數據時延測試結果見表2所列。實驗中使用的是部署在香港的阿里云共享基本型xn4，處理器為2.5 GHz主頻的Intel Xeon E5-2682 v4（Broadwell），搭配1 GB容量的DDR4內存，而ESP8266EX WiFi傳輸模塊部署在北京。根據連續30次測試結果可知，計算傳輸時延的平均值為49.495 4 ms。

2.4 采集端算法與功率

實驗使用德科技（KEYSIGHT） N6705C直流電源分析儀[13]進行檢測，測得單個采集端使用不同算法的功率分布情況如圖6所示，功率平均值見表3所列。

S1采用的算法：將MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始數據直接發送到云端服務器，由云端服務器計算血氧、心率結果;

S2采用的算法：由采集端根據MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始體征數據計算得到血氧、心率結果，將計算結果發送到云端服務器;

S3采用的算法：由采集端根據MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始數據計算得到血氧、心率結果，將計算結果和原始數據發送到云端服務器。

當采集端數量較多時，將原始數據直接發送到云端進行計算，可以降低采集端的功耗與系統成本。

3 應用場景討論

本文提出的基于WiFi技術的血氧和心率云監控系統，其發射模塊與一般藍牙模塊相比擁有更高的傳輸速率，并且采用TCP/IP協議進行傳輸，具備重傳機制[14]，數據包穩定性和可靠性高，但同時功耗也比較高。本系統更適合在醫院、隔離點等被采集人員人數較多，且需要連續實時監測、快速部署的場景下使用。

2019新型冠狀病毒（COVID-19）爆發后，在湖北省內、中國甚至其他國家傳播，造成了數以萬計病例的出現，同時也引起了民眾一定程度的恐慌[15]。其中，由于武漢市患者人數眾多，政府將體育場館、會議中心等公共場所改建為方艙醫院[16]，短時間內收治了大量病患。這些場所在設計之初已經配備了無線接入環境，可以使本系統快速部署。在該場景下，本系統與使用藍牙模塊進行傳輸的系統相比，在監測人數、傳輸時延、傳輸可靠性、傳輸數據量和部署成本等方面具有明顯優勢。

4 結 語

本文提出的基于WiFi技術的血氧和心率云監控系統具有可靠性強、數據傳輸速率高、部署成本低等優點。在設計過程中，成功對接了微信公眾號，使信息推送與查詢更加人性化，并且無需開發額外的APP。在進行大批量部署時，將血氧飽和度和心率計算轉移到云端，可降低采集端功耗與成本。

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