獨居老人生命體征遠程監測系統的設計與實現

呂洋

（中南大學自動化學院，湖南長沙，410000）

0 引言

隨著我國人口老齡化的快速發展，獨守“空巢”的老人日益增多，他們的身體健康問題令人堪憂，能在遠程及時了解他們的健康狀況，發現問題及時就醫成為家人的迫切愿望。該產品利用Arduino 知識、傳感器技術、C 語言程序、物聯網通訊技術、3D打印技術等知識，研制出一種價格低廉、便于攜帶、適用廣泛的生命體征遠程監測裝置，可以隨時隨地監看到獨居老人的生命體征數據，當有指標超標時，實現本地與遠程報警。

1 系統總體設計方案

系統將采集到的脈搏等模擬數值通過模擬端口直接傳輸到中央處理器Arduino，這些模擬數據經過相應的算法計算出反映生命體征的各個數據，這些體征數據通過串口輸出至上位機，通過processing 軟件將參數曲線圖顯示出來，系統將各個體征數據與設定的正常值進行比較，當指標不在正常值范圍時，該裝置通過判斷語句運行報警程序，蜂鳴器輸出報警音頻。系統同時將實時生命體征數據通過ESP8266 模塊發送至遠程物聯網平臺，物聯網平臺對收到的生命體征數據進行處理、儲存、判斷，當接收到的數值達到在物聯平臺設置的報警閾值時，物聯網平臺直接發送郵件或微博等信息到親屬的手機上，實現手機報警。通過互聯網，用戶隨時隨地可以使用手機、平板或PC 登錄物聯網平臺或掃描分享的二維碼快速方便的實時查看生命體征數據以及記錄的歷史數據，實現數據的多點實時共享。

圖1 系統原理圖

2 硬件系統設計

■2.1 硬件電路

脈搏信號的檢測原理簡單且具有代表性，對其做進一步的計算分析，還可以得到心率變異等其他生理參數。其他如體溫、血氧等的傳感器接入原理一致，因此硬件連接我們只接入脈搏傳感器，以脈搏傳感器的接入實現生命體征遠程監測系統的研制。

將脈搏傳感器的正極端接到Arduino 板的5V 接口，負極端接到GND，S 端連接到模擬口A0。

■2.2 脈搏傳感器模塊

這款心率傳感器體積小巧，可以對身體的不同部位進行測試。本傳感器采用光電容積法，測量準確。光電容積法是利用人體組織在每次心臟泵血時通過身體外周造成透光率不同來進行脈搏測量。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也是隨著心臟的搏動發生周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏心率。

圖2

3 軟件系統設計

■3.1 使用Pulse sensor 進行心率采集算法

心率是一分鐘內人體的心跳次數，如果能測量出相鄰兩次脈搏的時間間隔（ms），用一分鐘除（60000ms)以這個間隔就能計算出心率。由此引出了IBI 和 BPM 兩個值的概念,IBI 就是相鄰兩次脈搏的時間間隔（單位：ms），BPM就是心率，一分鐘內的心跳次數。BPM=60000/ IBI。

只有能識別出一個脈搏，才能計算出兩個相鄰脈搏之間的時間間隔。在編寫程序時可以通過檢測脈搏波的波峰來識別脈搏，設定一個參考值，當讀取到的信號值大于或等于這個參考值時便可以認為檢測到一個脈搏。但是經過多次測試，每次波形的振幅大小不一，不同的測試部位，參考值也不同，所以不能用大于或等于一個固定的參考值來判斷波峰的識別。

通過對多個周期信號輸出的振幅值分析，可以采集到信號的振幅的最高值與最低值，取最高值與最低值的平均值作為參考值，再用這個參考值閾值對采集的電壓值進行比較判定，大于或等于這個參考值，識別一次波峰。使用時間函數對一次脈沖的開始和結束分別計時，差值就是IBI 的值。利用數組記錄10 組IBI 的值，再取這10 個IBI 的平均值，以獲取更為精準的數據，最后用60000 除以IBI 的值便計算出心率BPM 的值。

主要代碼如下：

■3.2 ESP8266 模塊

物聯網不但是新一代信息技術的重要組成，而且是“信息化”時代的重要發展階段。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。物聯網實際就是物物相連的互聯網。物聯網的核心和基礎是互聯網，只不過用戶端實現了任何物品與物品之間都可以進行信息交換和通信。物聯網通過智能感知、識別技術等通信感知技術，被稱為世界信息產業發展的第三次浪潮。

ESP8266 系列芯片是樂鑫信息科技在 2015 年推出的一款 WiFi 芯片，這款芯片集成度高、功耗低、使用簡便，因此在物聯網應用領域獲得了肯定，是實現基于 WiFi 遠程控制的最好選擇。

它的大小類似于一張標準的SD 卡的尺寸，可以把用戶的物理設備連接到 Wi-Fi 無線網絡上，進行互聯網通信，實現聯網功能。使用ESP8266 聯網設置時，通過管腳的暫時接地，把它本身當作熱點，用手機smartconfig 軟件進行聯網參數的寫入，來實現wifi連接、網絡通迅。

圖3

■3.3 使用ESP8266 模塊與物聯網建立遠程聯接

ESP8266 模塊支持softAP 模式、station 模式、softAP+station 三種模式，這里使用 softAP模式，即把 ESP8266 當作一個WiFi 熱點，使用手機APP Smart Config 軟件將聯網參數寫入到ESP8266 芯片，實現與物聯網遠程連接。

■3.4 本地報警處理子程序

當心率數據不在正常范圍內，系統程序根據預先設置好的報警閾值條件，數字口D6 循環輸出高低電平，蜂鳴器進行雙音報警。當心率數據在正常范圍內，D6 輸出低電平，報警停止，返回正常檢測。

圖4

4 軟硬件調試及測試

■4.1 串口數據通過上位機顯示心率曲線

通過Arduino USB 端口連接到計算機，使用可視化圖形軟件Processing 來顯示心率曲線。

■4.2 與遠程物聯網的調試與測試

通用物聯網平臺，一般主要提供傳感器數據的接入、儲存和輸出等服務，它為所有的開源愛好者提供一個物聯網平臺。

圖5

貝殼物聯網云平臺是一個能夠讓用戶與智能設備溝通更方便的物聯網云平臺，用戶可以通過該平臺查看實時數據，用戶也可以根據實際需要設置相應的報警閾值，當實際數值達到設定的閾值時，物聯平臺就可以通過APP、郵件、短信、微信等方式通知用戶。

登陸物聯平臺，根據ESP8266 設備編號DEVICEID 和設備密碼APIKEY，添加心率傳感器監測設備。

■4.3 緊急一鍵呼救功能

當老人感到身體不適時，可以使用一鍵呼救功能進行快速報警。當開關被壓下后，數字口得到高電平，通過判斷語句使本地蜂鳴器進行報警，同時向物聯平臺發送某一特定數值，在物聯平臺對這一特定值的進行遠程報警設置，這樣就可以將報警呼救信息發送至親屬的手機中，從而實現緊急一鍵呼救功能。

5 使用3D 立體打印技術設計并制作外觀模具

該裝置的外觀采用SketchUp 軟件建模，根據電路板及內置原件的尺寸，建造88mm×62mm×57mm 的長方體模具。

6 總結

■6.1 主要創新點

（1）該系統的設計實現了生命體征參數的實時測量、遠程監看、一鍵遠程呼救、云端存儲、分析數據、提示報警、共享數據等多種功能。

（2）相對于傳統設備而言，該系統成本低廉、體積小巧、易于攜帶、云端數據的存儲功能方便快捷，用戶界面友好，尤其對于獨居老人可以進行長期數據的監測，并對健康數據進行分析。

（3）該系統支持多平臺，手機、平板、計算機等均可使用。

（4）該系統兼容性好，當有新的傳感設備加入或者是刪除時，并不需要再對網絡進行重新配置等繁瑣的操作，可快速接入云平臺，具有良好的擴展特性。

該成品有望普及進入到大眾家庭，為更多的人提供更多的健康保障。伴隨著社會的發展，每個人都越來越重視自己的健康，這種設備必將有用武之處。

■6.2 后期可擴展之處

（1）增加血氧飽和度、體溫等傳感器，顯示生命體征數據更加完整。

（2）增加小型液晶顯示屏，顯示參數。

（3）增加語音模塊，對老人做語音健康提醒。

（4）在裝置內增加鋰電池，防止暫時斷電，影響監測。