臨床監測系統的設計

唐宇龍，張正國，鄧宇奇，楊保友

（安徽新華學院電子工程學院，安徽合肥，230000）

0 引言

傳染病一直都是人類害怕的天災之一，就新冠肺炎而言，2020 年春節期間，國家急缺醫護人員，與此同時大量的醫護人員也在透支著生命參與抗擊疫情，國家也花費了大量的資金來保障人民的生命安全。臨床監控系統，針對于重癥患者的體征的監測，盡量的避免醫護人員直接與患者的直接接觸，大大保護了醫護人員的生命安全。并且相對于傳統醫療監測設備，臨床監測系統具有明顯的成本優勢。

1 裝置的組成

該系統主要針對傳統的醫療監測設備進行了改進，在傳統的基礎上進行了創新，結合了攝像頭進行遠程監控的工作原理。系統選用STM32F103ZET6 單片機，人體心跳測量模塊，人體溫度測量模塊，OPENMV 視覺識別模塊。整體結構如圖1 所示。該系統選擇OPENMV 視覺識別模塊與STM32F103 單片機相結合解決了人臉識別跟蹤問題，添加了IMU 姿態模塊，可以時時刻刻的記錄病人的姿態，便于醫護人員進行后續治療，整個裝置還搭載著人體心跳測量模塊以及人體體溫測量模塊用來記錄病人當前的體征。與此同時裝置也會隨時將所接收的信息發送給上位機讓醫護人員隨時得到病人的信息，該作品在使用時不僅很大程度縮小了疫情下醫護人員的工作強度，還大量減少了的當疫情來臨時所需要準備的抗疫資金。

圖1 整體結構

硬件系統選用，包含了OV7725 感光元件和STM32743單片機的OPENMV 視覺識別模塊[1]、擁有72MHz 原生主頻，ARM-Cortex-M3 內核的STM32F103ZET6 單片機、人體心跳測量模塊、人體體溫測量模塊、二自由度云臺、IMU模塊、電源模塊、無線收發模塊、WIFI 模塊。系統的原理如圖2 所示，該系統選用了OPENMV 攝像頭模塊通過控制二自由度云臺來實現對人臉的識別以及實時的跟蹤，并且時時刻刻將所接受的信息發送給STM32F103ZET6 單片機。系統利用體溫測量模塊和心跳測量模塊來檢測人體的心跳數據以及體溫數據，在將所接受體溫數據和心跳數據發送給STM32F103ZET6 單片機。IMU 模塊將會對病人的當前姿態進行分析得出數據，并將所得數據發送給STM32F103ZET6單片機。STM32F103ZET6 單片機會將所有所接受的數據融合分析后，在通過無線收發模塊發送給上位機。

圖2 裝置原理圖

2 人臉識別系統的設計

OPENMV 視覺識別模塊識別到人臉系統開始運行，OPENMV 視覺識別模塊首先需要通過image.HaarCascade函數錄入需要被監測人的人臉特征信息，之后利用img.find_features 來根據錄入的特征信息來辨別人臉，由于需要保證人臉的信息可以被OPENMV 視覺識別模塊精準的讀取，所以當人臉被成功識別之后，OPENMV 視覺模塊會通過PID 算法來控制二自由度云臺從而實現系統可以對人臉的準確跟蹤。當OPENMV 視覺識別模塊采集到人臉信息時，OPENMV 視覺識別模塊會通過串口通信發送信息讓STM32F103ZET6 單片機工作，同時也會通過ATWINC1500模塊與上位機進行WIFI 通信并將所監測的實時畫面發送給上位機，從而讓醫護人員了解到當前病人的表情，以便于醫護人員對病人的觀察。

3 人體姿態系統的設計

IMU 模塊由功耗小、體積小、成本低的BMP085 氣壓傳感器模塊、MPU6050 運動組件模塊、HMC5883L 磁阻傳感器模塊組成如圖3 所示。當病人躺在病床上時，將IMU 模塊放置于人體腰部，當STM32F103ZET6 單片機發送工作命令時，IMU 模塊開始工作，IMU 模塊會利用基于PI 調節和互補濾波[2]的人體姿態角算法，記錄病人的在病床上時的動作。并將其記錄下來，通過I2C 通信發送給STM32F103ZET6 單片機。STM32F103ZET6 單片機再將IMU 所記錄的數據通過NRF24l01 無線收發模塊將數據發送給上位機，從而記錄病人的姿態。程序流程圖如圖4 所示。

圖3 IMU 模塊

圖4 IMU 程序流程圖

4 人體體溫心跳測量系統

人體體溫心跳測量系統由人體心跳測量模塊和人體體溫測量模塊組成，當開始工作時完對病人身體狀況的分析。

■4.1 人體心跳測量

心電測量選用的ADS1292 模塊，是采用德州儀器（TI）的ADS1292R 芯片設計的，是多通道同步采樣24 位Δ-Σ 模數轉換器，它具有內置可編程增益放大器(PGA)、內部基準與板載振蕩器，低功耗，成本低，使用方便。當系統開始工作時，將采集到的心跳數據發送給STM32F103ZET6 單片機，在采集心電信號期間，會受到多種噪音干擾，可以使用卡爾曼濾波算法[3]對系統測得的數據進行濾波，從而使所測得數值的誤差大大降低。

■4.2 人體體溫測量

體溫測量模塊選用LMT70 模擬溫度傳感器，LMT70 是一款帶有輸出使能引腳的超小型、高精度、低功耗互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 模擬溫度傳感器。它幾乎適用于所有高精度、低功耗的經濟高效型溫度感測應用。當系統開始工作時STM32F103ZET6 單片機發送工作指令，體溫測量模塊將所測得體溫數據發送給STM32F103ZET6 單片機。由于LMT70 輸出使能引腳允許使用多個LMT70 共享1 個ADC 通道，從而簡化ADC 校準，所以大大降低了精密溫度感測所需要的系統總成本。

5 系統測試

當系統上電時，系統準備工作，OPENMV 視覺識別模塊讀取預先錄入的人臉特征信息，檢測到預先錄入的人臉特征信息以后，OPENMV 視覺識別模塊開始工作，通過串口通信發送工作指令至STM32F103ZET6 單片機，通過控制二自由度云臺將所追蹤到的病人面部圖像通過ATWINC1500模塊WIFI 通信發送給上位機，從而讓醫護人員得到病人的面部信息。得到OPENMV 視覺識別模塊通過串口通信發送的工作指令后，STM32F103ZET6 單片機開始工作，STM32F103ZET6 單片機開始工作后首先控制IMU 模塊工作，IMU 模塊開始工作，IMU 模塊工作后識別到病人的姿態數據并且及時將病人的姿態數據發送給STM32F103ZET6單片機，STM32F103ZET6 單片機接收到病人的姿態數據后在通過NRF24l01 無線收發模塊將病人姿態信息發送至上位機。完成姿態信息分析后，STM32F103ZET6 單片機開始控制ADS1292 心跳測量模塊工作，STM32F103ZET6 單片機向心跳測量模塊發送工作指令，ADS1292 心跳測量模塊得到STM32F103ZET6 單片機發送的工作指令后開始工作，開始采取病人的心跳數據，并且將采取到的病人心跳數據發送給STM32F103ZET6 單片機，STM32F103ZET6 單片機接收到病人心數據后，通過NRF24l01 無線收發模塊模塊將病人心跳數據發送至上位機。完成心跳信息采集后，最后STM32F103ZET6 單片機控制LMT70 體溫測量模塊開始工作，LMT70 體溫測量模塊接收到STM32F103ZET6 單片機發送的工作指令后開始工作，開始采集病人的體溫數據，并且將病人的體溫數據發送給STM32F103ZET6 單片機，STM32F103ZET6 單片機接收到病人的體溫數據后，通過NRF24l01 無線收發模塊模塊將病人體溫數據發送至上位機。系統會一直重復操作，時刻向上位機發送病人的數據，直至病人脫離OPENMV 視覺識別模塊識別范圍。在系統工作時，醫護人員可以從從上位機上得到病人的面部、姿態、心跳體溫數據。從而實行整個系統的工作，如圖5 所示。

圖5 臨床監測系統工作原理圖

6 結論

臨床監測系統集節能、高效、智能等優點于一體，并且大大的減輕了醫護人員特殊情況期間的工作壓力，與此同時也減輕了國家特殊情況時的資金壓力。使其具有了一定的研究意義和實用價值?；谇度胧郊夹g對系統工作原理，結構組成、硬件和軟件進行了設計，針對其中的關鍵技術做了詳細的分析，最后通過實驗驗證，系統具有節能、高效、智能等特點。