基于連續波生物雷達傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統設計

摘要：文章針對因睡眠環境不當、嬰兒猝死綜合征等原因導致的呼吸異常情況，設計了一個基于連續波生物雷達傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監測預警系統。該預警系統由連續波生物雷達傳感器和單片機主控芯片2個部分組成。連續波生物雷達傳感器通過發射和接收電磁波監測嬰兒表體呼吸時的胸腹部收縮幅度數據，從而得到嬰兒呼吸數據。STM32單片機采用串行外設接口接收傳感器收集的嬰兒呼吸數據信號并對信號進行處理與轉換，最終得到單位時間內的嬰兒呼吸頻率。當STM32單片機判斷出嬰兒發生呼吸異常情況，即刻觸發警報模塊。嬰兒呼吸異常監測系統不僅能夠實時監測嬰兒的呼吸頻率與強弱，還能在嬰兒呼吸異常時及時發起嬰兒呼吸異常警報，加強嬰兒的安全保障。

關鍵詞：非接觸式；連續波生物雷達傳感器；呼吸異常；監測系統

中圖分類號：TP39" 文獻標志碼：A

0 引言

隨著社會與科技的不斷發展，家庭對安全的重視程度與日俱增，智能嬰兒看護技術的發展將有效減輕父母的看護壓力，降低嬰幼兒遭受意外傷害的風險。然而，兒童意外傷害時刻威脅著孩子們的安全，其中嬰兒意外窒息更是以其突發性和高致命性，成了兒童生命安全最大的威脅之一，目前已成為我國嬰幼兒意外死亡的主要原因之一^［1］。據國內外多項研究表明，嬰兒因吐奶、睡眠環境不當、異物吸入、嬰兒猝死綜合征等原因引起的嬰兒呼吸異常事件頻發，嬰兒呼吸異常很容易導致嬰兒意外窒息，這不僅給家庭帶來了無法彌補的創傷，也引發了嬰幼兒安全監護技術的革新^［2］。由于當代青年工作生活任務繁重，面對嬰兒看護問題常分身乏術。隨著科學的進步和技術的突破，人工智能開始不斷滲透生活的各個場景，為看護的智能化發展提供了更加便捷、合理的智慧化解決方案，在此背景下嬰兒智能監護系統應運而生。市面上嬰兒的監護系統可分為接觸式和非接觸式2大類，接觸式監護系統在嬰兒智能看護市場中最為普遍，在對嬰兒及老人看護研究領域也得到廣泛使用。傳統的可穿戴式預警設備，如嬰兒背心^［3］、智能床單^［4］、壓力傳感器等^［5］，雖然在一定程度上提升了嬰幼兒安全的防護水平，但此類預警設備須直接接觸嬰兒身體獲取相關檢測信號，往往無法兼顧嬰兒舒適度且存在輻射漏電風險和長期皮膚接觸引發皮膚問題，并不適用于嬰兒日常監護。非接觸式嬰兒監護系統主要基于嬰兒監護攝像頭采取嬰兒照片或視頻，此類監護系統功能繁多，但實際功能性差，只能輔助人工看護，針對嬰兒異常呼吸識別率很低，無法真正實現嬰兒呼吸異常的實時監測。本文提出的嬰兒呼吸異常監測系統結合2類監護系統優點，在非接觸式的基礎上提高了嬰兒呼吸監測精度，在提升監護系統體驗感的同時提高了嬰兒呼吸異常檢查準確率，能更有效預防嬰兒意外窒息風險，從而保障嬰幼兒安全。

本文基于連續波（Continuous Wave，CW）生物雷達傳感器設計了一個非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統^［6］，旨在通過先進的生物雷達傳感器實現對嬰兒睡眠環境及生命體征的實時監測與預警，從而有效預防嬰兒呼吸異常引起的意外窒息風險。該系統采用的連續波生物雷達相較于普遍用人體生命特征監測的超寬帶（Ultrawide Band，UWB）雷達傳感器和調頻連續波（Frequence Modulated Continuous Wave，FMCW）毫米波雷達傳感器^［7-8］，連續波生物雷達的優勢是成本低廉、能耗低且射頻電路結構更簡單，更適用于家庭式嬰兒日常監護。非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統將突破傳統預警設備的局限性，無須直接接觸嬰兒，而是通過高精度的連續波生物雷達傳感器非侵入式地捕捉嬰兒呼吸頻率，通過判斷嬰兒的異常呼吸情況，預防嬰兒在日常生活中潛在的意外窒息危險因素（如吐奶、睡眠環境不當導致面部遮擋、嬰兒猝死綜合征等）。

本文提出的嬰兒呼吸異常監測系統以STM32微控制器作為主控制器，60 GHz載波頻率（V波段）連續波生物雷達傳感器為呼吸信號采集模塊，采用串行外設接口（SPI）的藍牙功能進行傳感器和STM32單片機之間的數據傳輸。STM32單片機將傳感器采集的數字信號加以處理，在判斷信號數據存在意外窒息風險后，通過藍牙把窒息風險信號數據及警報信息傳輸到監護人移動端，實現意外窒息風險預警。本文提出的風險預警系統核心在于其強大的數據處理能力與監護的實時性，系統能夠實時分析嬰兒呼吸狀態，識別異常呼吸情況（如呼吸急促、呼吸暫停、淺快呼吸等）并立即觸發警報機制，通知家長或監護人采取相應措施。為嬰兒創造一個更加安全舒適的睡眠環境。

1 系統總體設計

本文設計的基于連續波生物雷達傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統，由非接觸式的連續波生物雷達傳感器和單片機主控芯片2個部分組成，采用藍牙無線進行數據傳輸。連續波生物雷達傳感器利用60 GHz載波頻率（V波段）連續波雷達采集嬰兒胸腹表面因呼吸產生的腹部收縮幅度變化數據形成嬰兒的呼吸數據信號。嬰兒呼吸數據信號通過前置放大器將信號放大到60 dB擋位，使用放大濾波方式對信號進行加強及去噪調理，采用A/D轉換流程將模擬信號轉換為數字信號，通過藍牙無線數據接口將嬰兒呼吸信號數據傳輸給STM32單片機，在單片機上對嬰兒呼吸數據進行呼吸異常判斷，并使用輸入輸出引腳（GPIO）連接數據接口將呼吸異常信號傳遞給蜂鳴器報警模塊激活蜂鳴器，最終實現嬰兒呼吸異常情況的實時監測。非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統總體架構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 嬰兒呼吸信號采集及處理模塊

本系統使用60 GHz載波頻率（V波段）連續波生物雷達傳感器對嬰兒呼吸信號的采集，選用的連續波生物雷達傳感器型號為BGT60TR13C。BGT60TR13C生物雷達傳感器采用集成天線設計，不僅支持60 GHz的載波頻率，還能夠檢測最遠達15 m內的人體目標，并具備亞毫米級的運動檢測能力。BGT60TR13C生物雷達傳感器通過集成有限狀態機（FSM）實現最低功耗，確保在提供高性能的同時，能保持較低的能耗，適用于非接觸式交互、生命傳感等多種場景，如人員跟蹤、智能手機手勢控制、心臟監測、睡眠監測等。60 GHz載波頻率（V波段）連續波生物雷達前端射頻電路由雷達信號發生器、混頻器、接收發送天線、電路組成，雷達通過檢測嬰兒胸腹部輕微起伏頻率獲取嬰兒的呼吸頻率信號，具體的連續波生物雷達監測嬰兒呼吸信號原理如圖2所示。

在生理學上，人體的呼吸信號可以通過呼吸引起的胸腹部表面微動信息反饋，日常人體呼吸引起的胸腹部表面起伏位移范圍為4～15 mm，因此本系統選用60 GHz載波頻率（波長為5 mm）的連續波生物雷達發送射頻信號。雷達接收嬰兒胸腹部反射的射頻信號后，通過混頻器進行變頻處理得到連續波生物雷達的基帶信號。射頻信號基于嬰兒胸腹部規律性振幅產生的連續波動基帶信號形成嬰兒日常呼吸信號。

2.2 嬰兒呼吸信號、呼吸異常信號傳輸及判斷模塊

本系統采用的集成芯片為STM32單片機，是一款基于ARM CortexM內核的32位微控制器（MCU），具有高性能、低功耗、豐富的外設和易于開發等特點。BGT60TR13C雷達傳感器通過串行外設接口的藍牙功能將處理后的嬰兒呼吸信號傳輸給STM32單片機，STM32單片機接收到嬰兒呼吸信號后，使用集成的片內運算放大器對信號數據進行前置放大，以提高信號的幅度和信噪比，采用濾波、放大幅度調整進行信號調理，STM32單片機還進一步采用A/D轉換流程處理信號進行模數轉換形成嬰兒呼吸信號的波形數據。在STM32單片機上可以對嬰兒呼吸波形數據進行最終分析即可進行嬰兒呼吸異常判斷。

2.3 嬰兒呼吸異常警報模塊

BGT60TR13C生物雷達傳感器通過STM32單片機可以實時監測嬰兒呼吸頻率并計算呼吸周期，嬰兒呼吸頻率一般為30～40次/min，年齡越小，呼吸相對更快，新生兒的呼吸頻率大約在40～50次/min，因此設置嬰兒正常呼吸頻率閾值為25～50次/min，當嬰兒呼吸頻率低于25次/min或高于50次/min時，認定嬰兒存在呼吸異常情況。STM32單片機使用輸入輸出引腳（GPIO）控制有源蜂鳴器開關，有源蜂鳴器內包含振蕩電路，當STM32單片機判斷出嬰兒呼吸異常時，自動打開有源蜂鳴器開關，觸發嬰兒呼吸異常警報，有源蜂鳴器警報電路如圖3所示，蜂鳴器使用NPN三極管驅動電路完成驅動任務，可以有效緩解STM32負擔過重的問題。

3 系統軟件設計

本文設計了一款基于連續波生物雷達傳感器的非接觸式嬰兒呼吸異常監測系統，系統采用C語言對STM32單片機的主控芯片進行編程，系統原理框架如圖4所示。STM32單片機設置每分鐘進行一次嬰兒呼吸異常檢測。當STM32單片機接收到連續波生物雷達傳感器采集的嬰兒呼吸信號后，對嬰兒呼吸信號進行信號放大、過濾、加強與A/D轉換處理得到的嬰兒呼吸數據信號，并通過嬰兒呼吸數據信號累加得到嬰兒的實時呼吸頻率。本系統設置嬰兒正常呼吸頻率閾值為25～50次/min，當系統監測到嬰兒的呼吸頻率在正常呼吸頻率閾值范圍之外時，則觸發蜂鳴器報警電路，否則跳轉到結束，進行下一次監測。

4 測試結果

將BGT60TR13C生物雷達傳感器固定在嬰兒床正上方的位置，BGT60TR13C生物雷達傳感器的信號發射器與接收器位于嬰兒胸腹部正上方進行射頻信號的發射與接收。BGT60TR13C雷達傳感器通過輸出串口的藍牙功能將處理后的嬰兒呼吸信號傳輸給STM32單片機。實驗通過STM32單片機對嬰兒呼吸信號進行加工處理后傳輸到PC端，模擬出嬰兒呼吸頻率波形圖，具體如圖5所示。如圖5（a）所示是嬰兒呼吸正常情況下的嬰兒呼吸頻率，圖中呼吸頻率較規律，可觀察到此時的嬰兒呼吸頻率穩定且處于嬰兒正常呼吸閾值范圍；如圖5（b）所示是嬰兒呼吸頻率偏低情況下的嬰兒呼吸頻率，在監測時間12～15 min時，嬰兒呼吸頻率低于嬰兒正常呼吸閾值，且呼吸規律性不強；如圖5（c）所示是嬰兒呼吸頻率偏高情況下的嬰兒呼吸頻率，在監測時間11～15min時，嬰兒呼吸頻率明顯高于嬰兒正常呼吸閾值，顯示出嬰兒呼吸急促。

5 結語

本文基于連續波生物雷達傳感器設計實現了一款實時監測、價格低廉、使用方便且檢測精度高的非接觸嬰兒呼吸異常警報系統。系統采用非接觸式連續波生物雷達傳感器進行呼吸監測，在提升嬰兒監護系統體驗感的同時，也可以提高嬰兒呼吸異常的檢測精度。同時，系統可以對嬰兒呼吸情況進行實時監測，及時發現嬰兒呼吸異常情況，也能緩解家長在日常生活中嬰兒監護的壓力，具有充分的市場潛力與應用需求。

參考文獻

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（編輯 沈 強）

Design of noncontact infant respiratory abnormality monitoring system based on continuouswave bioradar sensor

ZHUANG" Yueyuan1， SU" Huawen2， WEI" Zhe1

（1.Civil Aviation Flight University of China， GuangHan 618307， China;

2.CMB Network Technology （Shenzhen） Co.， Ltd.， Chengdu Branch， Chengdu 610041， China）

Abstract：" This paper presents a noncontact monitoring and early warning system for abnormal infant respiration based on a continuouswave bioradar sensor， addressing respiratory abnormalities caused by improper sleeping environments， Sudden Infant Death Syndrome （SIDS）， and other factors. The early warning system consists of two main components： a continuouswave bioradar sensor and a microcontroller （MCU） as the main control chip. The continuouswave bioradar sensor monitors the chest and abdominal contraction amplitudes of an infant during respiration by emitting and receiving electromagnetic waves， thereby obtaining the infant’s respiratory data. The STM32 MCU utilizes a serial peripheral interface to receive the infant’s respiratory data signals collected by the sensor， processes and converts these signals， and ultimately obtained the infant’s respiratory rate per unit time. When the STM32 MCU detects abnormal respiratory patterns in the infant， it triggers the alarm module immediately. This infant respiratory abnormality monitoring system not only can monitor the infant’s respiratory rate and strength in realtime ，and also promptly issue an alarm for abnormal infant respiration when detected， enhancing the safety protection for infants.

Key words： noncontact; continuouswave bioradar sensor; abnormal respiration; monitoring system