家庭健康監測系統的研發

鄧保青，吳德林

（廣州理工學院電氣與電子工程學院，廣東 廣州 510540）

0 引言

我國人口數量世界第一，由于基數大，每年的凈人口增長數量龐大。特別是隨著我國人口老齡化的到來，老年人口數量的增長已經超過了每年出生的新生兒人口數量。家庭健康檢測系統是為了填補這方面的空缺，盡可能的提高老年人的生活質量。它能夠為病人或家中的老人在正式就醫前提供一個前期診斷的基本數據，縮小病人排查的范圍，節約不必要檢查的費用。

傳感器技術的發展日新月異，并被應用在許多領域，近些年，國外醫學界基于傳感器技術的新型人體生理信號監測儀也取得了突破性進展：把傳感器網絡分布在如衣服一樣的織物上，這件特殊的衣物外觀上與普通衣物無異，只是當人們穿上這件衣物時，衣服上的無線傳輸網絡就會把他的各種生理信號以數據的形式傳送到 PC系統中，PC系統則不間斷的進行持續記錄并甄別，若是人體的生理信號出現異常，PC系統便立即發出示警。它還可以實現遠程監控，傳感器采集到的人體數據經由局域網傳輸至 Internet上。但由于某種原因，此種新型的發明并沒有被大量投入使用。

人體生理監護儀對醫學界、甚至于整個人類而言，都是一項非常重要的發明，自上世紀六十年代面世以來，就深得世界醫療各界的青睞，紛紛投入大量人力物力對人體監護系統進行研發、生產及銷售，使得監護系統得到持續發展及廣泛普及，醫院興建的冠心病監護病房，重癥監護室，腦疾患者監護室等讓世界各國的重癥患者受益無窮，其它的一些普通患者，比如手術室、分娩室、康復室等普通的專科病房的病人，也能得到更加及時有效的監護。綜上所述，家庭健康監測系統的研發，市場前景廣闊，具有一定的研發價值。

1 系統功能及設計方案

本設計是基于嵌入式 STM32家庭健康檢測系統的研發，主要是根據人體的生理信號對人的身體進行健康檢測。人體蘊含的健康信息包括血壓、心電、脈搏、體溫、血氧飽合度、及有創血壓、腦電、眼電視網膜電、心輸出量、呼吸二氧化碳、胃電、眼震電等信號。實時、連續、長時間的生命體征監測是醫學上重要生理參數。該系統有人體溫度檢測、心率、步數記錄等模塊，不僅可以測量人體體溫，有助于防控疫情，還可以測心率，心率的變化能反映人體多方面的健康狀態。其攜帶方便，檢測靈活，成本價格低廉是本設計的特點。系統各模塊所測生理參數送至STM32后進行信號的處理、然后通過無限裝置發送到監護人手機從而進行顯示和報警提示，對老人的健康監測有很大幫助[1]。

1.1 系統功能

家庭健康檢測系統的研發主要做到以下功能：（1）采用 STM32F103C8T6作為主控芯片，采用體溫、心率、計步等模塊進行身體健康信號采集；（2）可以用按鍵設置心率和體溫的上、下限報警值，并具有掉電保存；（3）LCD1602液晶第一行顯示當前的心率和體溫，第二行顯示設定的上、下限報警值；（4）利用無線模塊進行傳輸到手機APP顯示數值，主機上測到的心率或體溫超出設置心率上下限范圍時，主機蜂鳴器和指示燈產生聲光報警提示。

1.2 總體設計方案

家庭健康檢測系統主要由以下功能模塊組成：STM32F103C8T6開發板、總電源供電電路、時鐘晶振電路、復位電路、LCD1602液晶顯示屏電路、ADXL345計步檢測傳感器電路、DS18B20溫度傳感器電路、心率光電檢測傳感器、ESP8266-WiFi模塊。智能家庭健康檢測系統結構[2]如圖 1所示。

圖1 智能家庭健康檢測系統結構圖Fig.1 structure diagram of intelligent home health detection system

主控芯片：STM32控制芯片由意法半導體ST公司貢獻的32位微處理器，如圖2所示，可進行實時仿真及追蹤，功耗控制能力卓越，外設更是超凡出眾，創新力十足。產品做到了最大程度的集成整合，讓開發變得簡單易用。綜合考慮設計的難易程度、實物成本以及對資源的合理分配等因素，采用STM32核心控制作為該系統主控模塊[3]。

圖2 STM32核心控制模塊Fig.2 STM32 core control module

體溫傳感器：由于本次設計需要非接觸式的傳感器，非接觸式測溫儀常見的大多為紅外線測溫儀，它是用不等溫黑體作為其測量的校準源，紅外線測溫儀容易受外界條件的干擾，比如空氣中的各類介質，儀器所配透鏡上的衛生條件、磨損、被測對象的輻射率，測量時距離被測物的遠近，甚至是周圍環境的溫度等都會對測量結果產生影響。 雖然如此，但由于其技術成熟，性能穩定且成本造價低，還是受到了廣大用戶的喜愛，應用非常廣泛。此次設計選擇TN901紅外測溫傳感器，不用接觸人體就可以得出溫度，該模塊的測溫范圍-20度到1300度，可以調節任意度數，主要通過測量人體的紅外射線發出來的強度進行測量溫度[4]。實物圖如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度傳感器Fig.3 DS18B20 temperature sensor

WiFi模塊：選擇ESP8266作為WiFi通信模塊。這種技術與藍牙技術最大的不同就在于WiFi是包含在WLAN無線局域網范疇之內，可同步對多個終端進行數據傳送，傳送速率最高可達11 Mbps；而藍牙則屬于WPAN無線局域網范疇，它只能進行點對點的數據輸送。而且WiFi覆蓋范圍更廣，可達百米遠。WiFi使用的是DSSS直序列擴頻及QPSK，其帶寬為22MHz。其協議為局域網協議IEEE802.11b。ESP8266WiFi模塊如圖4所示。

圖4 ESP8266WiFi模塊Fig.4 ESP8266WiFi module

心率模塊：選擇 XD-58C心率傳感器來測量心率信號。脈搏傳感器采用集成技術，把放大電路與噪聲消除電路集成于一體，是一款光學心率傳感器，Arduino使用它來測量心跳速率，使用方便簡單。使用時可以把它置于手指或是耳垂上，再利用網絡數據線連接到 Arduino上，通過一個開源的APP，使用者的心率便會即時的以圖線的形式顯示出來。不管是學生、運動員、藝術家、移動終端開發人員等都可以使用它進行二次開發，制作出與心率相關的互動產品。電源電壓 3至 5伏特即可。XD-58C心率傳感器實物如圖 5所示[5]。

根據隱喻以轉喻為基礎這一思想（Taylor 1989），Goossens（1990）提出了隱轉喻這一概念，它是隱喻和轉喻這兩種不同運行機制相互作用的產物。Goossens從語料中發現了一些隱喻和轉喻互動關系，但其中只有兩種關系證明是較為普遍的（Evans 2007：141），這就是“源于轉喻的隱喻”（metaphor from metonymy）和“隱喻內含轉喻”（metonymy within metaphor）。下面我們通過兩個例句來說明這兩種關系。

圖5 XD-58C心率傳感器Fig.5 XD-58C heart rate sensor

計步模塊：選擇傾角傳感器 ADXL345作為計步模塊。ADXL345是一種三軸加速度傳感器。該加速度傳感器具有分辨率高、量程可變的特點，而且其功耗低、尺寸小、靈敏度高，具有廣泛的應用范圍。ADXL345模塊如圖6所示。

圖6 ADXL345模塊Fig.6 ADX.L345 module

主要完成的工作如下：重力角度檢測通常是在結束上電后展開的，它推算出總的行走步數后，再換數出行走的總里程數；在STM32的指揮控制之下，LCD1602在屏幕上動態展示出使用者正行走的步數數據及里程數，而第二行展示的則是已經完成的步數及完成的里程數；液晶顯示屏上的數據是由溫度傳感器 DS18B20收集并輸送過來的溫度數據；液晶顯示屏幕上還會實時展示心率光電檢測傳感器監測到的心率脈搏數據；如果需要進行新一輪的檢測，可以進行清零操作，按下板載復位開關鍵就可以進行；系統配備無線傳輸功能，用戶可隨時開啟該功能并上傳到手機APP，方便用戶使用手機查看數據；需要完成電路圖、程序圖和各個模塊子程序，完成仿真調試，完成樣品制作。

1.3 系統電路設計

STM32系列控制芯片耗能小價格低，在能完全滿足設計條件的前提之下，還能有富余的接口及功能，為系統所需的其它實驗項目進行外圍電路拓展提供了條件。

（1）STM32核心控制板接口電路圖如圖 7所示。

圖7 STM32核心控制板接口原理圖Fig.7 interface schematic diagram of STM32 core control board

（2）心率傳感器電路設計，Pulsesensor心率傳感器模塊接口原理圖如圖8所示。

圖8 Pulsesensor脈搏心率傳感器接口原理圖Fig.8 Pulsesensor pulse heart rate sensor interface schematic

接口說明：1+：外接5 V；2-：外接GND；3S：輸出接口（0和1）。

圖9 心率脈搏傳感器輸出波形圖Fig.9 output waveform of heart rate pulse sensor

由圖9可以看出，其波形信號并非為標準方波信號，為方便檢測，可以利用波形比較器LM393將傳感器輸出的波形信號過濾成標準的方波信號。LM393比較器模塊對脈搏傳感器模塊濾波的電路原理圖如圖10所示，通過LM393比較器模塊濾波后的波形圖如圖11所示。

圖10 心率檢測電路原理圖Fig.10 schematic circuit diagram of heart rate detection

圖11 LM393后輸出的波形圖Fig.11 waveform of output after LM393

（3）計步模塊電路設計，ADXL345模塊接口圖如圖12所示。

圖12 ADXL345模塊接口圖Fig.12 interface diagram of ADXL345 module

（4）電源模塊電路，電源模塊采用了芯片L7805CV。這款型號為L7805CV的電子元件，是一種線性穩壓芯片，屬于電源芯片。它內含限流保護電流，可以有效防止負載短路燒毀元件，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。穩壓電路如圖13所示。

圖13 穩壓電路Fig.13 voltage regulator circuit

1.4 系統軟件設計

該系統編程語言選擇C語言，程序編程環境選擇keil uVision5。利用軟件進行仿真調試。C語言程序設計其強大的功能、超高的效率及靈活方便，其語言直觀，可閱讀性強并方便移植。各個模塊編譯完成后，uVision環境提供集成功能，把模塊組合成一個整體。系統程序運行流程圖如圖 14所示[7]。

圖14 主流程圖Fig.14 main flow diagram

2 系統調試和制作

2.1 連接調試

在以上軟硬件的設計完成后，采集端硬件選用了PCB板，通過按照已繪制的原理圖各模塊管腳連接方式將各器件焊在PCB板上，軟件的程序編譯需理清楚每一層的邏輯單元，在keil軟件上使用仿真軟件對設計進行初步驗證，完成邏輯編譯和調試，運行無誤后再下載至STM32控制芯片上[8]。

2.2 系統整機功能調試

整機功能調試首選完成軟件的燒入及測試過程：（1）使用Keil編寫軟件程序；（2）編譯調試各部分的程序，當運行結果為零錯誤時才算完成程序調試；（3）調試達到預期后，將調試好的HEX文件下載到STM32控制芯片中；（4）將調試好的代碼程序燒錄，通過液晶屏顯示，可以獲悉主控模塊是否可與心率測試等外圍模塊正常通信。

選用人體溫度傳感器、心率脈搏傳感器等組成監測點，通過STM32單片機將采集到的數據經WiFi通信模塊發送到手機上存儲。如果數據超過警戒值，蜂鳴器就會發出震動警示。樣品及功能測試如圖15所示[9]。

圖15 樣品及功能測試圖Fig.15 sample and functional test diagram

3 結論

針對獨自在家可能存在突發疾病的老人，設計了一款基于STM32系列家庭健康檢測系統，其攜帶方便，檢測靈活，價格低廉。該系統能夠實時、連續、長時間地監測病人和一些年邁老人的生命體征，并提供重要的醫學生理參數，短時間內把體溫，脈搏，血壓的異常發到當事人手機上，并通過 WiFi通信模塊發送到監護人的手機上以便監護人快捷地采取對策。家庭健康檢測系統采用模塊化設計，各模塊所測生理參數送至主控制芯片進行信號的處理、然后無線發送到監護人手機顯示與報警提示。家庭健康檢測系統的研發雖然實現其所預期的各項功能，但并非十全十美，作品還有很大的升級與拓展的空間。該系統可以與智能家居互聯，通過大數據、云計算、5G通信等技術，與醫院的通信系統對接，作為移動醫療的輔助環節，實現遠距離全民健康體系的無線控制。因此家庭健康監測系統的研發對家庭保健儀器方向的研究具有重要的意義。