基于WiFi 的遠程健康監護系統設計

葉琦，趙玉榮，豆全輝，張俊龍，張洪偉

（安徽新華學院，安徽合肥，230088）

0 引言

近年來，健康系統中無線傳感器網絡的應用明顯增加，主要體現在遠程健康監護系統、醫療數據訪問以及緊急情況下與護理人員通信等領域。使用WiFi，我們可以輕松設計一個簡單而有效的系統，進行持續監視患者的狀況。可以在正常或緊急情況下如在家中、病房以及重癥監護室（ICU）中及時了解患者周圍的環境和自身健康程度。

1 系統工作原理

■1.1 功能要求

本設計采用STM32 單片機作為主控MCU，利用WiFi傳輸的可靠性和穩定性進行雙機通信，在從機采集板上安裝溫濕度傳感器DHT11、PM2.5 傳感器、煙霧傳感器以及心率傳感器，還有四個按鍵，兩個繼電器，而在主機板上則有兩個按鍵電路、一個蜂鳴器電路和一個LCD12864 液晶顯示模塊。

具體實現如下的功能：

(1)從機采集板實現對環境溫濕度、PM2.5 濃度、煙霧濃度以及病人心率進行采集并通過WiFi 傳輸到主機；

(2)從機采集板的四個按鍵可以實現呼叫功能傳輸到主機板并通過蜂鳴器提醒和液晶顯示屏顯示相應的按鍵序號；

(3)主機板可以將收集到的數據實時顯示在LCD12864液晶顯示器上；

(4)主機板的兩個按鍵可以實現對兩個繼電器的分別控制。

■1.2 設計方案

本設計采用的是基于Arm?Cortex?-M 處理器的STM32系列單片機。它提供的產品結合了高性能，實時功能，數字信號處理，低功率/低壓操作和連接性，同時保持了完全集成和易于開發。系統分為從機采集板和主機操作板，從機采集板將采集到的溫濕度數據、PM2.5 濃度、煙霧濃度以及心率通過WiFi 傳輸到從機操作板，并通過LCD 顯示出來，如果有數據異常，主機操作板的蜂鳴器會報警提醒[1]。從機采集板的四個按鍵分辨代表四個床位，每按下一個按鍵，主機操作板上的蜂鳴器也會做作響且液晶屏上顯示相應的床位號。從機采集板共有兩個繼電器，充當兩個開關，分別控制空氣凈化設備和加濕器，以便于更好的改善室內環境。具體設計方案如圖1 所示。

圖1 設計方案框圖

2 功能模塊介紹

■2.1 煙霧濃度采集電路

煙霧檢測報警器是能夠檢測環境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應包括：煙霧信號采集電路、模數轉換電路、單片機控制路[2]。

MQ-2 型煙霧探測器是屬于對二氧化錫半導體氣體敏感的材料，屬于具有離子表面的N 型半導體。二氧化錫在200-300 攝氏度下從空氣中吸收氧氣并形成負氧離子，這樣能夠降低半導體的電子密度，從而增加其電阻。與煙接觸時，表面電導率會隨著煙氣調節改變對晶界的潛在障礙而發生變化。有了這些信息，就可以知道這種煙霧的存在。密度越高的煙霧，其電導率就越高，輸出的電阻就越低，并且模擬信號輸出也越高。使用MQ-2 煙霧傳感器檢測火災煙霧的最佳方法是將其輸出電壓與閾值電壓進行比較（閾值電壓需要進行煙霧測試）。MQ-2 的計算公式：阻值R 與空氣中被測氣體的濃度C 的計算關系式如公式1：

常數n：與氣體檢測靈敏度有關，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和激活劑的不同而發生大幅度的變化。

常數m：表示隨氣體濃度而變數的傳感器的靈敏度（也稱作為氣體分離率）。對于可燃性氣體來說，m 的值多數介于1/2 至1/3 之間。

■2.2 溫濕度檢測電路

DHT11 通過測量兩個電極之間的電阻來檢測水蒸氣，濕度感測部件具有在其表面上施加電極的水分保持基板。當水蒸氣被襯底吸收時[3]，離子被襯底釋放，這增加了電極之間的導電性。兩個電極之間的電阻變化與相對濕度成正比，較高的相對濕度會降低電極之間的電阻，而較低的相對濕度會增加電極之間的電阻。DHT11 模塊在系統中的電路圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測電路

DHT11 通過內置在單元中的表面安裝NTC 溫度傳感器（熱敏電阻）來測量溫度。DHT11 溫濕度傳感器的一些工作參數如下。濕度范圍：20-90%RH；濕度精度：±5%RH；溫度范圍：0-50°C；溫度精度：±2%°C；工作電壓：3V 至5.5V。DHT11 測量相對濕度。相對濕度是空氣中水蒸氣的量相對于空氣中水蒸氣的飽和點。在飽和點，水蒸氣開始凝結并積聚在形成露水的表面上。飽和點隨氣溫變化。冷空氣在飽和之前可以容納較少的水蒸氣，而熱空氣在飽和之前可以容納較多的水蒸氣。

■2.3 心率監測電路

脈率心率傳感器是用于測試心率的傳感器，本質上是具有集成放大器和噪聲消除電路的光學心率傳感器。該傳感器可用于開發與心率有關的交互式任務，傳感器可以戴在手指或耳垂上，光電傳感器將脈沖信號轉換為電信號，此設備要求將手指放在傳感器撥盤上。光電傳感器是光學心率傳感器，集成了放大電路和噪聲消除電路。光電傳感器上的發光二極管發光通過脈沖，檢測指尖和耳垂處定期更改的動脈血量[4]，同時穿過指尖的光強度也會更改。心率檢測模塊整體電路如圖3 所示。脈搏心率傳感器模塊接口原理圖如圖4所示。

圖3 心率監測電路設計

圖4 脈搏心率傳感器模塊接口

■2.4 WiFi 傳輸模塊

MOD-WiFi-ESP8266 是UEXT 擴展模塊，帶有著名的ESP8266 UART 轉WIFI IC。通過此模塊，可以為具有UEXT 連接器的其他Olimex 開發板添加WIFI 功能。帶有已安裝的2MB SPI 閃存。MOD-WiFi-ESP8266 是將其用作現有Olimex 板的簡單硬件擴展。這就是為什么它具有UEXT連接器。將其插入具有UEXT 連接器的另一塊板上，并且硬件連接已完成即可實現功能。WiFi模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 WiFi 傳輸模塊電路

3 系統軟件設計

本設計主要是通過WiFi 連接主從機，從機進行對環境溫濕度、PM2.5 濃度、煙霧濃度和心率的檢測，通過WiFi發送到主機系統上，并通過LCD12864 液晶顯示器顯示相應數據。并且從機本身可以實現對環境PM2.5 的調節和環境濕度的調節。如果上述所有數據中的一個發生異常，從機系統將通過WiFi 傳輸到主機系統并通過蜂鳴器發出警報，從機設有四個按鍵分別代表四個床位的設計，有尋呼的功能，主機的兩個按鍵分別控制從機兩個繼電器的開關以用來控制空氣凈化設備和加濕器的開啟與關閉。系統整體軟件設計流程如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 實物測試

■4.1 心率檢測功能測試

由于心率檢測電路采用的是光學檢測，所以當指尖放在心率檢測模塊頂端時，我們可以看到LM393 比較器上面的綠色指示燈在閃爍，這就是比較器比較之后的結果，說明正在進行對心率的采集工作。從機的STM32 主控將會對這一數據進行采集，并顯示在主機設備上，如果主機液晶顯示器顯示數據準確，說明測試成功。此時我們將指尖不斷地輕輕且快速拍擊傳感器，用來模擬心率過快的現象，如果主機上的蜂鳴器發出聲響，說明閾值設置成功，主機平臺可以自行判斷心率是否正常并向醫護人員發出報警信息。經測試，功能正常運行，測試結果如圖7 所示。

圖7 心率檢測功能測試

■4.2 煙霧濃度檢測功能測試

MQ-2 煙霧濃度檢測模塊檢測的是空氣中可燃氣體的濃度，不同于PM2.5 模塊檢測的是空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物[5]。對于MQ-2 的測試，可以用打火機進行簡單的測試，首先將打火機靠近傳感器，然后輕微的放出氣體，觀察主機中的煙霧濃度變化，以判斷功能是否正常，如果煙霧濃度過高，主機是否會發出警報。經判斷，功能運行正常，測試結果如圖8 所示。

圖8 煙霧檢測功能測試

■4.3 病床呼叫和繼電器控制功能測試

在從機采集板中，有四個按鍵用來模擬病房中的四個床位，每當一個按鍵按下之后，在主機的液晶顯示屏中將會準確的顯示相應的床位號，以便于醫護人員更好的判斷是哪個床位在呼叫，當呼叫發生時，主機的蜂鳴器會發出聲響以便于更好的提醒醫護人員。當主機觀察到空氣中PM2.5 的含量過高或環境溫度過高時，醫護人員可以通過主機中的兩個按鍵分別控制兩個繼電器，兩個繼電器分別接入空氣凈化器和加濕器，用來調整病房的環境。經過測試，兩項功能正常，測試結果如圖9 所示。

圖9 病床呼叫和繼電器控制功能測試