基于藍牙的物聯網多生理參數監測系統

（廣西醫科大學 生物醫學工程學院，廣西 南寧 530021）

0 引 言

目前臨床上使用的監護儀大多采用有線方式傳輸數據，密布的導線增加了布置監護儀的困難，如狹小的救護車上。同時醫生只有站在儀器前才能查看體征數據，當需要管理多位病人時，醫生需要來回走動，增大了工作量，延誤了救治時間。此外，這些監護儀普遍缺乏數據存儲功能，給醫生分析、錄入病人歷史數據帶來了困難[1]。在此背景下，本文介紹了一款基于藍牙的物聯網多生理參數監測系統，該系統可以監測、管理病人的體溫、脈率和脈搏數據，并通過藍牙遠程傳輸至手機或電腦，解決目前臨床監測體溫時所面臨的問題。

1 總體設計

設計框圖如圖1所示。體溫監測系統采用12C5A60S2單片機作為控制芯片，紅外測溫模塊采用MLX90614紅外溫度傳感器，該傳感器通過I/O口與單片機相連。通過TCRT5000紅外傳感器采集脈搏波信號，采集后的信號經過放大、濾波后，一路信號輸入單片機內置A/D轉成數字信號，得到脈搏波；另一路經過整形電路轉成方波信號輸入單片機I/O口計算脈率。藍牙模塊采用HC-05芯片，該芯片與單片機通過串口通信，單片機將傳感器采集的體溫值和脈率通過串口發送給HC-05，HC-05再通過藍牙將數據傳送給手機或電腦等，由此實現遠程監測病人體征數據的目標。

圖1 系統框圖

2 紅外測溫模塊

紅外測溫模塊采用Melexis公司出品的MLX90614系列高精度紅外測溫芯片，為TO-39封裝，封裝中集成了紅外測溫傳感器芯片和用于信號處理的芯片。信號處理芯片具有低噪聲放大、高精度數模轉換、數字信號處理等功能。溫度計進行了出廠校準，以滿足高精度和高分辨率的要求。MLX90614有默認的SMBus（系統管理總線）和10位數字PWM輸出模式，此PWM模式可應用于連續監測物體溫度，監測溫度范圍為-20～120 ℃，分辨率[2]為0.14 ℃，其內部結構如圖2所示。

圖2 MLX90614內部結構

MLX90614采用標準TO-39封裝，該封裝有4個引腳，分別為SCL/Vz、PWM/SDA、VSS和VDD，各引腳功能見表1所列。

表1 XLM90614引腳功能

MLX90614與單片機連接時，將SCL、PWM/SDA引腳直接連接單片的I/O口，如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機連接電路

3 脈搏采集模塊

特定波長紅外線對于血管末端血液容積的變化十分敏感，利用此特性可以檢測由于心臟跳動而引起血管末端血液中血氧蛋白含量的變化。此信號經放大、濾波等處理后，可以輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，進而計算出脈率。此種方法所得信號即基于PPG的脈搏波信號（光電容積描記的脈搏波信號）[3]。此方法無創且測量結果較精確，只需測量患者手指末端的毛細血管即可得到脈搏波信號，適合長期監測。

本設計采用TCRT5000紅外傳感器采集脈搏信號，其電路結構如圖4所示。工作原理：接通5 V電源使紅外發射管發光，紅外發射管將紅外線射向人體，將透過皮膚組織反射回來的光射入接收管。通過檢測接收管的電流感知反射平面的反射強度，根據電流強弱，輸出不同強度的脈搏波。

圖4 TCRT5000電路原理

3.1 放大電路

放大電路原理如圖5所示。本項目設計了一個兩級放大電路，兩級均采用OP07運算放大器。兩塊OP07采用5 V單電源供電，第一級放大倍數為40倍。

圖5 放大電路原理

第二級放大倍數為20倍，兩級放大電路的放大倍數為20×40=800倍。

3.2 濾波電路

濾波電路如圖6所示。10 kΩ電阻和0.47 μF電容組成二階RC低通濾波器，截止頻率為14.91 Hz。當輸入信號的頻率大于截止頻率14.91 Hz時，濾波電路會將該信號濾除，同時，電路中50 Hz的工頻干擾也將被濾除。

圖6 濾波電路原理

3.3 模數轉換電路

為了計算脈率，還需將脈搏波信號整形成數字方波信號輸入單片機進行計算。模數轉換電路如圖7所示，采用運算放大器LM358搭建比較器，單電源5 V供電。脈搏波信號從運放的正向輸入端輸入，向反向輸入端輸入3 V電壓，當輸入的脈搏波信號大于3 V時運放輸出3.8 V電壓，反之，運放輸出0 V電壓，將脈搏波信號轉換成方波信號。方波信號輸入單片機I/O口，計算方波頻率，從而算出脈率。

圖7 模數轉換電路原理

4 藍牙模塊

為了實現物聯功能，本設計采用HC-05藍牙模塊實現藍牙遠程監測體征參數功能。將藍牙模塊波特率設置為9 600 b/s，從機工作模式，與單片機串口相連接。用戶可以將手機、電腦等帶有藍牙功能的上位機與HC-05模塊相連，單片機將傳感器采集的數據通過串口傳給HC-05，HC-05收到數據后再通過藍牙無線傳輸給上位機，從而實現通過上位機遠程監控體征數據的目的。

5 軟件設計

5.1 上位機軟件設計

本項目使用MATLAB開發了一個上位機軟件，軟件界面如圖8所示。該軟件采用GUI界面設計繪制采樣得到的脈搏波，并監測體溫和脈率。將電腦藍牙打開，與HC-05藍牙模塊配對后，即可實現遠程無線數據傳輸。

圖8 上位機界面

上位機軟件流程如圖9所示。

圖9 上位機程序流程

打開藍牙通信串口，上位機發送指令控制單片機采樣的啟動與停止，由單片機采集所得的脈搏和體溫信號經藍牙發送至上位機。藍牙發送的采樣值拆分為八位發送，上位機對接收到的數據重整理，經由MATLAB制作的GUI界面顯示，利用MATLAB編程實現了在上位機端對溫度以及脈搏信號的實時采集、顯示與分析。

5.2 單片機軟件設計

單片機軟件采用C51語言編寫，其流程如圖10所示。

圖10 單片機程序流程

首先檢測從上位機發來的查詢信號，如果是1，則開啟測溫開關，測10次溫度，求出平均值，在數碼管上顯示，同時將數據通過藍牙傳給上位機；如果收到的查詢信號是2，則開啟接收方波信號，計算方波的頻率得到脈率，然后開啟單片機內置A/D轉換器，將脈搏波轉成數字量，最后通過藍牙將數據傳輸到上位機。

6 系統測試

6.1 體溫測試

在安卓操作系統的MOTO X手機上安裝藍牙串口軟件SPP，通過該軟件向單片機發送數字1，即可查詢體溫值，發送數字2，即可查詢脈率。同時使用聯想Pro13筆記本電腦安裝MATLAB上位機程序，將手機和電腦的藍牙打開，與監測系統藍牙配對，監測測試者的體溫。

選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，分別在8:00，15:00，20:00時使用精密水銀溫度計測量其腋下體溫，再使用生理參數監測系統在以上3個時段測量志愿者的腋下體溫，比較兩者的測量數據。測量結果見表2所列。

表2 水銀溫度計與物聯網多生理參數監測系統測量結果比較 ℃

測試的最大體溫誤差率僅為0.46%，符合醫學上對體溫測量精度和準確度的要求。

6.2 脈率測試

選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，分別在8:00，15:00，20:00時采用飛利浦VM8心電監測儀測量脈率，再使用生理參數監測儀在以上3個時段測量志愿者的脈率，比較兩者的測量數據。脈率的測量結果見表3所列。

表3 VM8心電監測儀與物聯網多生理參數監測系統測量結果比較 次/min

此次測試誤差較小，結果較準確，符合醫學上對體溫測量精度和準確度的要求。

7 結 語

本文介紹了一種基于藍牙的多生理參數監測系統。該系統具有測量精度高、讀數快，可以通過藍牙遠程監測體溫等優點。經過測試，此系統輸出響應良好，誤差小，可應用于臨床治療、科學研究等領域，具有廣闊的應用前景。