嬰兒健康監測系統的設計與實現

常州信息職業技術學院網絡空間安全學院 胡春芬 胡志鵬 嚴 巖

針對傳統醫療在現代醫院應用中對嬰兒的監護方式存在的問題，設計了一種基于OneNET云平臺的嬰兒健康監測系統。該系統以STM32F103RET6為微處理器，集成MAX30102心率血氧傳感器、ESP8266WIFI傳感器、OneNET云平臺等終端。系統通過微處理器對心率血氧傳感器采集的PPG信號進行處理，再使用PPG算法計算出HR、SpO2，然后通過ESP8266WIFI傳感器將數據傳輸至OneNET云平臺進行數據可視化顯示和異常判斷。測試結果表明，該系統能實現對嬰兒的遠程監護、無接觸式采集數據和遠程異常報警等功能，在智慧醫療領域應用效果顯著。

近年來，互聯網產業的發展日趨成熟，產業鏈和基礎生態環境已經相當完善，市場容量接近飽和。許多系統集成商將物聯網作為下一個突破的方向，而作為物聯網十大分支產業之一的智慧醫療，通過物聯網技術提高醫療信息的實時共享性，向著更復雜的互聯互通方向探索，有效幫助醫院實現對人和物的智能化管理。

隨我國二胎政策的全面開放和強制婚檢的取消，導致高齡產婦人數增多、無需婚檢的觀念增強，綜合母體因素、促排卵藥物的濫用以及試管嬰兒的增加，導致早產嬰兒發生率、出生缺陷率逐年上升。對于早產和先天性疾病嬰兒都需在出生后放入保溫室內進行一段時間的醫學觀察和治療，而使用傳統醫療方式監護嬰兒健康，會出現人力監護資源消耗大、外界細菌對嬰兒傳染率高、采集健康信息的時效性差等問題，本文針對傳統醫療的諸多問題為保溫室內的嬰兒設計一種基于OneNET云平臺的無接觸式健康數據監測系統。該系統采用OneNET云平臺與監測終端實現互聯互通，實時對健康數據進行管理，健康數據能通過PC端和手機端同步顯示，使得醫生和家屬能實時查看嬰兒的身體狀況，合理安排監護時間，減少無效的奔波，減輕醫護人員的工作負擔和家屬的心里負擔，且系統采用無接觸方式采集健康數據，可以減少外界細菌對嬰兒的傳染率，對提高醫院的醫療效率和質量、新生兒的健康監測和管理都有著積極的意義。

1 系統架構

該系統架構分為感知層、網絡層、應用層三個層面設計，整體架構如圖1所示。其中感知層包括各類生命體征數據監測終端，主要完成保溫室內嬰兒的各項健康數據的監測；網絡層利用ESP8266WIFI傳感器和WIFI網關節點建立星型網絡架構，用于實現采集的健康數據傳輸；應用層主要包括OneNET云平臺以及遠程監護端，其目的是為了支持醫護人員和家屬對嬰兒的身體健康進行遠程監控、生命體征監測終端的遠程管理和異常報警等。

圖1 系統整體架構圖

2 系統硬件設計

本文系統的硬件電路設計主要由STM32F103RET6微處理器、MAX30102心率血氧傳感器、ESP8266WIFI傳感器、電源管理以及放大濾波等外圍電路組成，如圖2所示。微處理器STM32F103RET6選用具有超低功耗的ARM Cortex-M4內核，其芯片包含512Kb FLASH、64KbSRAM，擁有多類通信接口。MAX30102心率血氧傳感器集成多個LED燈、光電變換器以及光源器件，內部還帶有抑制環境光的低噪聲電路，外部相比于上一代產品MAX30100增加了玻璃蓋來排除內部光、灰塵、汗液等干擾，成為新一代最小尺寸、最低功耗的心率血氧采集傳感器。通信模塊選用ESP8266WIFI傳感器，該傳感器配備了Tensilica L106 32微型MCU、SRAM和ROM儲存控制器，支持IEEE802.11b/g/n協議以及TCP/IP協議棧，即可做主MCU運行，還可以經過二次開發，與其他模塊搭配研發嵌入式WIFI通信設備。

圖2 系統硬件模塊圖

MAX30102心率血氧傳感器通過內部光源器件發射兩類特定波長的光進入皮膚，如圖3所示。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化，導致這束光的透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。STM32F103RET6微處理器通過I2C通信讀取MAX30102心率血氧傳感器FIFO內的PPG信號，再次對信號進行濾波等處理，然后通過PPG算法計算出HR、SpO2值，然后通過ESP8266WIFI傳感器將數據傳輸至OneNET云平臺。

圖3 采集PPG信號模型圖

3 系統軟件設計

3.1 數據采集程序設計

MAX30102傳感器采集PPG信號流程框圖如圖4所示。

圖4 PPG信號采集流程框圖

系統供電后，首先進行初始化：MAX30102初始化、Systick定時器初始化、I2C、UART、SPI初始化。首先MAX30102心率血氧傳感器進行PPG信號采集，然后程序使能STM32F103RET6微處理器通過I2C串口從MAX30102的FIFO中提取前500個數據點，提取時間為5s。采集的原始信號受各種因素影響需要通過濾波電路進行預處理，處理方法使用10點平均濾波法：選擇10個相鄰數據點進行取平均值預處理，以達到濾波處理的最好效果，PPG原始信號和預處理后的信號如圖圖5和圖6所示。

圖5 PPG原始信號

圖6 預處理后PPG信號

選用每個波峰最大、最小點根據PPG算法程序計算出采集的心率血氧值。

3.2 OneNET云平臺與采集終端數據交互

數據采集成功之后，給ESP8266WIFI傳感器發送AT指令來建立與OneNET云平臺的數據傳輸通道，AT指令流程如圖7所示。

圖7 AT指令流程

通道連接成功之后，再通過標準的HTTP協議使用POST請求方式及JSON數據格式封裝數據完成數據上傳。POST請求方式如下所示：

需要注意的是每行程序最后都要以 結尾，如不添加則不會執行任何操作。

3.3 OneNET云平臺顯示界面設計

在設計界面之前首先要進行用戶接入，接入流程如圖8所示。

圖8 用戶接入流程

接入成功之后，點擊應用管理添加獨立應用，在獨立應用內設計PC端和移動端顯示界面，本系統設計界面采用兩個折線圖實時反應嬰兒一天的心率、血氧數據波動情況，兩個儀表盤實時顯示嬰兒的最新心率、血氧值，以及兩個開關控制MAX30102心率血氧傳感器，具體界面如圖9所示。

圖9 顯示界面設計

界面設計完成之后，選擇觸發器管理添加觸發器監控采集上傳的心率、血氧數據，設置內選擇使用郵箱接受報警信息如圖10所示。當ESP8266WIFI傳感器上傳的數據超出觸發器所設置的閾值時，OneNET云平臺會自動向所設置的郵箱發送報警信息，信息內包含觸發器信息、觸發時間以及觸發值。

圖10 觸發器設置

4 系統測試

4.1 數據監測準確性測試

本次心率血氧采集的準確性測試實驗，選用三名嬰兒進行監測測試，分別使用MAX30102心率血氧傳感器和gladstone指夾式心率血氧儀對比，gladstone為三參數集成版血氧儀。通過使用本儀器，可以對成人人體單導聯的心電信號進行記錄、檢測、儲存與回放。將手指放在兩個設備上，靜止狀態測量心率血氧數據如表1、表2所示。由于本系統設計初衷是為監測嬰兒心率血氧數據，所以本文不對運動狀態下心率血氧監測。

表1 心率準確性測試

表2 血氧準確性測試

由表1和表2數據得出，系統監測數據與標準儀器監測的誤差值在±1bpm，所以本系統測量心率、血氧值具有較高的測量精度，能滿足應用需求。

4.2 報警功能測試

本次報警功能測試使用Postman軟件發送HTTP請求上傳一個本地數據進行測試，將HR、SpO2賦值為“10”，由于觸發器設置的血氧飽和度值為小于95%、心率值小于60次每分鐘，數據進入閾值范圍，報警功能被觸發，OneNET云平臺自動發送郵件提醒醫護人員，提醒郵件如圖11所示。

圖11 報警信息

本文主要為設計實現基于OneNET云平臺的嬰兒健康監測系統，通過云端及智能終端控制基礎醫療設備，采用WIFI無線通信技術作為物聯網技術支持，以OneNET云平臺為基礎，分析傳統醫療系統的不足，將傳統醫療系統聯合物聯網技術進行融合、創新、優化，通過數次測試實現了基于OneNET云平臺的嬰兒心率、血氧數據采集。本系統準確性高、實時性強、響應速度快，在系統后期升級優化中還可添加血壓、心電圖等生命體征測試功能以及攝像頭監控功能，把系統逐漸完善成一個全面的醫療設備集群，從而全面保障嬰兒生命健康。