基于物聯網技術的新型生命體征監測裝置研究

顧瞻

［捷普科技（上海）有限公司，上海 200233］

0 引言

目前市場上的智能可穿戴設備，如智能手環、智能手表等，佩戴于人體皮膚表面，一般可監測佩戴者的心率、血氧、步數等，記錄的體征信息有限，且只能本地查看。對于一些從事特殊運動的運動員，比如橄欖球運動，這類運動比較激烈，運動員在高強度的對抗過程中容易遭受身體沖擊，如未及時發現潛在的傷害，可能導致病情延誤或惡化。基于橄欖球運動員佩戴專用牙套的場景，可以在牙套中集成相應的傳感器和物聯網通信模塊，實時采集運動員更全面的體征信息，如頭部受到的沖擊力度、運動軌跡、體溫、唾液酸堿度變化等關鍵生命體征，并實時上傳云端服務器，醫護人員可以通過這些數據，對運動員的身體和運動狀態進行監測和保護。本文將介紹一種適用于此類場景的智能牙套的實現方案，除了運動場景，通過調整集成的功能，也可應用到其他佩戴牙套的場合。

1 電子控制系統框圖

智能牙套集檢測、數據處理、數據傳輸、身份識別、電源管理和無線充電等功能于一身，由主流的嵌入式電子控制系統來實現所有功能，圖1 為智能牙套電子控制系統，概覽整個系統包含的模塊和連接關系。下面將具體介紹各個模塊和實現方案。

圖1 智能牙套電子控制系統

2 各模塊功能介紹與實現方案

2.1 沖擊檢測模塊

一般的微機電系統（micro-electro-mechanical system, MEMS）加速度傳感器的量程范圍為±2g/±4g/±8g/±16g，這個量程可用于人體的步行和跑步行為的檢測，實現計步用途。但在一些更激烈的運動項目中，如橄欖球運動，當運動員之間發生劇烈身體碰撞，頭部可能受到遠大于16g 的沖擊加速度，這種程度的沖擊可能對運動員腦部造成傷害，為了檢測這種程度沖擊，普通加速度傳感器會因為超出最大量程而導致數據飽和，此時獲得的數據達到上限而無效，因此需要更高量程的加速度傳感器，用于沖擊檢測，可選擇±100g/±200g/±400g 量程的加速度傳感器。基于以上應用場景，我們在智能牙套裝置中，可以集成2 種加速度傳感器，普通量程加速度傳感器和高量程加速度傳感器，分別用于計步以及劇烈沖擊檢測功能，可以滿足精度和幅度的雙重需要。傳感器采集的運動數據定時通過數據接口，如I2C，傳輸給微處理器進行運算和存儲，如發生異常沖擊，傳感器可主動向微處理器發起中斷警告請求。

2.2 體溫檢測模塊

口腔為人體內腔環境且閉口時沒有空氣對流造成溫度變化，因此口腔溫度能夠比較準確地反應人體的真實體溫。智能牙套佩戴在口腔內部，只需在牙套中集成溫度傳感器，便可實時檢測運動員的體溫變化情況。溫度傳感器的放置位置需要考慮貼近口腔粘膜的位置并采用導熱系數比較好的材料，以準確快速地將人體溫度傳遞給溫度傳感器。傳感器采集的溫度數據通過數據接口，如I2C，傳輸給微處理器進行運算和存儲。

2.3 唾液酸堿度檢測模塊

運動員運動前后，根據運動強度不同，體內乳酸含量會發生變化，記錄乳酸變化，可用于分析運動員的訓練強度和體能狀態等。傳統采血方式檢測，比較煩瑣且實時性較差。對此，利用唾液的酸堿度變化反映乳酸變化狀態是一種更加簡便和實時的采集方式。

利用智能牙套佩戴于口腔內的場景，可以直接與人體唾液接觸，選擇小型化的酸堿度傳感器集成在智能牙套中，便可以實時監測唾液的酸堿度變化情況。需要考慮酸堿度傳感器放置位置，使檢測電極可以與口腔內唾液充分接觸并保持一定的流動性。傳感器實時檢測的唾液酸堿度，本方案選用的傳感器采用模擬電壓輸出方式，即酸堿度與電壓具有線性關系。傳感器的電壓信號傳送給牙套微處理器的模數轉換（ADC）模塊，微處理器通過模數轉換后可獲得電壓數據，再通過軟件按照一定的算法比例關系，計算出酸堿度數據并近似換算為乳酸含量指標。

根據傳感器特性不同，有些酸堿度傳感器需要考慮溫度影響，圖2 為筆者測試本方案中選用的酸堿度傳感器，在不同溫度下檢測3 種pH 標準溶液（pH4/pH7/pH10）所得到的數據變化曲線。由圖2 可見，隨著溫度變化，傳感器的輸出電壓值會發生偏移，因此軟件算法需要根據這樣的變化趨勢，對因溫度引起的偏移進行補償，以保證檢測數據的準確性。

圖2 傳感器輸出隨溫度變化曲線

2.4 無線物聯網通信模塊

為了實時監測運動員的身體狀態，智能牙套的傳感器所采集的數據需要實時傳送給分析人員。為滿足運動員佩戴和移動中使用，在智能牙套中集成無線物聯網通信模塊，將采集數據實時上傳云端服務器。根據應用場景的數據量大小、成本和網絡覆蓋情況，當前LTE-CAT-M/NB-IoT 物聯網無線網絡技術是比較合適的選擇，此無線網絡技術的數據速率可以達到1Mbps 左右，可滿足數據上傳速率需求。

此外，一些LTE-CAT-M/NB-IoT 模塊還可集成全球導航衛星系統（global navigation satellite system, GNSS），位置信息能用于反映運動員在場上的跑動軌跡，可用于賽中和賽后的戰術分析等。

除了使用無線模塊直接與基站通信，也可以使用藍牙或者Wi-Fi，通過智能終端或者無線熱點，間接實現通信功能。

2.5 身份識別模塊

因為智能牙套是口腔內使用的設備，需要做到專人專用以保證衛生需求。外觀標簽形式的識別煩瑣，且容易出錯。為了便于大批量的管理和識別，在智能牙套中集成射頻識別（radio frequency identification, RFID）電子標簽，可使用專門的無線讀取設備進行快速識別和管理。

2.6 電源管理模塊

智能牙套電子控制系統由鋰電池供電，電路中包含電池充放電保護、充電電路以及電源升絳壓穩壓電路等。因小型化設計，電池體積受到較大限制，無法做到充裕的電池容量，但系統運行時需要處理大量傳感器數據，且需要大功率的無線信號發射，對電池維持系統的工作時間提出了較大挑戰。因此在電路設計中，需要采用更高效率的電源方案，如使用效率更高的開關電源作為主要電壓轉換電路，軟件上也需要合理設置數據采集和上傳頻率，達到平衡數據實時性和地功耗的目的。對于充電方式，因為在口腔內使用，傳統有線連接充電方式難以做到完全密封，且會對人體安全造成一定風險。無線充電方式可滿足密封需求且對人體更安全。目前主流的無線充電技術是WPC 的Qi 標準無線充電技術，功率可達到5W 以上。受智能牙套外形尺寸限制，需特別注意無線充電發射和接收線圈尺寸設計，以達到需求的充電距離和效率。電路調試時，需要根據充電效率調整線圈匹配和充電功率，達到最佳效率值。

3 結語與討論

智能牙套有別于一般可穿戴產品，佩戴于人體口腔內，可檢測人體的更多身體信息，比如乳酸水平，嚴重頭部沖擊，體溫狀況，運動軌跡等。加上無線通信功能可以實時上傳數據，根據這些數據可實時對人體狀態進行分析。比如用于進行運動員的健康保護，賽場上的戰略戰術制定，以及場下的訓練指導和運動員訓練方案調整等。隨著新技術的發展，在智能牙套上將可以集成更豐富的傳感器，并實現更多創新功能，為人們的健康、生活、娛樂提供更多價值。