基于STM32單片機(jī)的人體健康指標(biāo)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 力，趙 鋼，俞文博，張慧穎

（1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林省網(wǎng)源通信公司政企部，吉林 吉林 132022）

引言

隨著科技的高速發(fā)展，智慧醫(yī)療、數(shù)字醫(yī)院、“互聯(lián)網(wǎng)+”醫(yī)療等新型醫(yī)療正走進(jìn)尋常百姓的生活。當(dāng)前新冠疫情防控形勢(shì)依然嚴(yán)峻，人體的心率、血氧及體溫指標(biāo)在新冠疫情日常防控中極為重要[1]。患者感染新冠病毒后將出現(xiàn)心率增快，體溫異常，血氧飽和度低等不適癥狀，本系統(tǒng)基于STM32F103單片機(jī)采集心率、血氧、體溫等指標(biāo)通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)查詢，從而節(jié)省查詢信息的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及醫(yī)療并及時(shí)進(jìn)行疫情預(yù)防及預(yù)警[2]。該系統(tǒng)適合社區(qū)居民及人體醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)使用，以降低新冠肺炎疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體主要分為主控模塊、心率血壓檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、顯示交互模塊、WiFi通信模塊及預(yù)警單元。將檢測(cè)到人體的心率、體溫及血氧等信息傳輸給主控模塊，主控處理運(yùn)算并判斷是否出現(xiàn)超過閾值的情況在LCD屏幕上顯示，并通過WiFi通信模塊傳輸?shù)绞殖稚衔粰C(jī)終端[3]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心率血氧采集模塊

心率血壓采用模塊內(nèi)部集成心率光電模塊、紅外模塊，內(nèi)部也存在電壓的相互轉(zhuǎn)換，方便設(shè)計(jì)開發(fā)。模塊1腳接GND，7腳接VIN。其中RCWL-9183芯片將7腳輸入的VIN穩(wěn)壓為3.3 V輸出，MAX30102作為心率血氧計(jì)算芯片，采集計(jì)算后通過SDA和SCL引腳與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。心率血氧采集檢測(cè)電路如圖2所示。

2.2 溫度檢測(cè)模塊

人體溫度檢測(cè)采用DS18B20溫度傳感器，該模塊價(jià)格低廉，采集精度符合日常所需，其中模塊采用寄生供電，與單片機(jī)進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單[4]。DS18B20溫度傳感器共有3個(gè)引腳，一個(gè)接電源正極，一個(gè)接電源負(fù)極，還有一個(gè)信號(hào)線接STM32的B15引腳。溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖3所示。

2.3 WiFi通信模塊

WiFi通信模塊采用ESP8266WiFi進(jìn)行通信連接。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過主控模塊處理后通過串口向該模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并通過通信模塊與手持上位機(jī)終端連接，手持上位機(jī)終端根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示心率、血氧、體溫及預(yù)警狀態(tài)。ESP8266WiFi模塊一共有8個(gè)引腳，2腳4腳接電源正極，8腳接電源負(fù)極；RXD和TXD接單片機(jī)A9和A10引腳。WiFi通信電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.4 預(yù)警顯示模塊

LCD的7腳到14腳負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)的傳輸，連接STM32的A7到A0引腳。3腳通過對(duì)電阻R3的調(diào)節(jié)可以控制屏幕的背光亮度。預(yù)警模塊由電阻和二極管組成，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過閾值后，主控模塊通過B9引腳發(fā)出預(yù)警信號(hào)后，LED燈點(diǎn)亮。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序模塊化編寫，以便后續(xù)程序的移植[5]。子程序主要包括心率血氧檢測(cè)、溫度檢測(cè)、WiFi通信子程序、預(yù)警子程序和顯示子程序。整體初始化后，程序依次檢測(cè)心率、血氧、體溫參數(shù)，并根據(jù)采集的生化指標(biāo)判斷是否觸發(fā)預(yù)警程序，最終將采集的數(shù)據(jù)和預(yù)警信號(hào)通過Wi-Fi通信程序發(fā)送至手持上位機(jī)終端[6-7]。主程序流程如圖5所示。

4 實(shí)物調(diào)試

采用KEIL軟件編寫系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，按照前面設(shè)計(jì)方式焊接電路并對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過程如下：

1）按下電源開關(guān)后，液晶屏幕點(diǎn)亮，檢測(cè)到的心率值、血氧值、體溫值等實(shí)物通電界面初始化，實(shí)物運(yùn)行圖如圖6所示。

2）將手放在體溫檢測(cè)模塊上，屏幕的溫度顯示將逐漸改變，等待片刻之后，此時(shí)LCD1602上的體溫值顯示為36.5℃。

3）將手放在心率、血氧集成檢測(cè)模塊，LCD1602上的心率和血氧顯示開始改變，二者數(shù)值持續(xù)上升，待數(shù)值穩(wěn)定后，LCD1602顯示此時(shí)的心率值為111次/min、血氧值為91 mmHg[8]。

4）手持上位機(jī)連接該系統(tǒng)的WiFi之后，打開APP進(jìn)行連接，將手放在該系統(tǒng)的體溫檢測(cè)模塊和心率血氧檢測(cè)模塊之后，等待片刻時(shí)間，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)值趨于穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)與LCD1602同步顯示。

5）為了驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，通過與力康（Heal Force）血氧儀手指夾式成人血氧飽和度檢測(cè)心率采集儀、水銀體溫計(jì)做數(shù)據(jù)對(duì)比[9]。將5名實(shí)驗(yàn)人員分別用不同的采集裝置進(jìn)行每分鐘心率、血氧百分比、體溫的采集。采集結(jié)果對(duì)比如下頁(yè)表1所示。

通過表1的結(jié)果對(duì)比，測(cè)量結(jié)果與市售醫(yī)療設(shè)備所測(cè)結(jié)果基本一致。手持終端數(shù)值與LCD1602上顯示一致，二者顯示基本同步。由此表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、智能化程度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求，長(zhǎng)期運(yùn)行正常平穩(wěn)[10]。

表1 采集結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

為了更高效地進(jìn)行常態(tài)化疫情防控以及身體健康采集，設(shè)計(jì)一款基于STM32單片機(jī)為核心的控制器，融合多傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)心率檢測(cè)、體溫檢測(cè)、血壓檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并將采集的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。經(jīng)過多次試驗(yàn)，系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常、穩(wěn)定，基本能達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)用性較強(qiáng)。