基于Wi-Fi與GPRS的遠程生理參數(shù)測試系統(tǒng)設(shè)計

韓 團 軍

(陜西理工大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

0 引 言

隨著人們的生活水平的提高，心血管疾病的發(fā)病率也在不斷地上升，心血管疾病已經(jīng)嚴重影響著人們的身體健康，且心臟病具有高危險性和突發(fā)性，為了及時地發(fā)現(xiàn)病情，對心臟類疾病患者進行實時、有效地監(jiān)護就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀大多是在醫(yī)院進行監(jiān)護，監(jiān)護設(shè)備非常昂貴，這就限制了病人的生活范圍。因此，設(shè)計一種可以實時、有效地監(jiān)護病人的心電信息，對病人的心電情況可以及時地掌握的便攜式心電監(jiān)護儀顯得尤為重要[1-3]。本文提出了一種基于Wi-Fi與GPRS的遠程生理參數(shù)測試系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32為MCU，SFH7050為專用心電監(jiān)測傳感器，GPRS和Wi-Fi模塊作為傳輸手段，實現(xiàn)了心電、血氧、等生理參數(shù)的實時監(jiān)測。它可實時、有效地記錄病人的心電生理參數(shù)，并能在智能終端上顯示用戶健康數(shù)據(jù)。用戶時刻了解自己和家人的身體狀況，在適當(dāng)?shù)臅r候可以進行休息或去咨詢醫(yī)生[4-6]。此系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的典型應(yīng)用，可以被廣泛推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)分為硬件終端監(jiān)測部分和Android終端部分，其組成為傳感器采集、信號放大與濾波、單片機、液晶驅(qū)動、Flash存儲器、按鍵及LED、Wi-Fi/GPRS、電源等電路組成。通過脈搏傳感器將心臟脈動信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大器放大、濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機接收數(shù)字信號，分析、處理、顯示，再將數(shù)據(jù)加密后傳給Wi-Fi/GPRS模塊，使用Wi-Fi/GPRS網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，將加密后的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端，服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)并提取轉(zhuǎn)換實際有效的數(shù)據(jù)，寫入到數(shù)據(jù)庫，也可以直接傳送到用戶指定的終端上，進行實時顯示。整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 傳感器電路設(shè)計

傳感器電路也是下位機電路，SFH7050傳感器它是一種反射式光電傳感器，使用時只需將身體任何部位和傳感器接觸就能實現(xiàn)信號采集。SFH7050內(nèi)部由紅，綠，紅外和一個光電二極管構(gòu)成。光電二極管在選用時盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。使用535 nm的綠光照射手指，當(dāng)波長為535 nm左右時，血液中的血紅蛋白對光線的吸收較好。當(dāng)心臟收縮時，外周血容量最大，光吸收量最大，此時光電二極管檢測到的光強度最弱，輸出電流最小；而當(dāng)心臟舒張時，正好相反，此時光吸收量最少，光強最大，光電二極管輸出電流最大，這樣光強就隨著心臟搏動呈周期性變化，將光強度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柧涂梢垣@得脈搏信息。使用紅光和紅外光交替在手指上進行測量，反射回來的兩種不同波長的光信號，使用光電容積法可用于計算血氧飽和度。分光光度測定是采用紅光和紅外光，根據(jù)氧合血紅蛋白(HbO2)對紅光吸收量較少。而對紅外光吸收量較多；血紅蛋白(Hb)則反之，用分光光度法測定紅外光吸收量與紅光吸收量之比值，就能確定血紅蛋白的氧合程度可以將心臟搏動信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，經(jīng)放大器放大、濾波，送達控制芯片，使用STM32內(nèi)部的12位高精度A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將采集到的脈搏數(shù)據(jù)進行處理，包括軟件濾波、心率計算、血氧濃度計算、數(shù)據(jù)本地存儲、送入無線模塊以及驅(qū)動LCD顯示圖形和數(shù)據(jù)[7-12]。傳感器設(shè)計電路如圖2所示。

圖2 傳感器電路

1.2 放大電路與濾波電路的設(shè)計

由于傳感器輸出的原始信號非常微弱，峰峰值為微伏級，極易受到各種噪聲信號的干擾，所以直接使用原始的信號來測量人體的脈搏狀態(tài)是無法實現(xiàn)的。為了得到STM32可以采集的模擬信號，需要使用放大電路和濾波電路對信號進行放大和濾波，保證送入A/D模塊的信號是穩(wěn)定有效的。設(shè)計中采用SON3130高精度運放來實現(xiàn)放大，它的失調(diào)電壓可至μV級，漂移小，內(nèi)部由四個獨立的放大器構(gòu)成，非常適合做微弱信號放大。放大器采用了兩級反相放大，反向放大時運放兩個輸入電位始終近似為零(同相端接地，反相端虛地)，只有差模信號，因此抗干擾能力強，如圖3所示。濾波電路采用SON3130運放構(gòu)成的二階Sallen-key低通濾波器。輸入信號從4端口經(jīng)R10接入經(jīng)兩級放大后從芯片8端口輸出,放大電路的輸出U0作為電路的輸入通過鋁箔可得心電信號。由于心電信號頻率一般為1～2 Hz，所以將濾波器截止頻率設(shè)置為10 Hz左右，用來濾除干擾，如圖4所示。

圖3 主放大電路

圖4 濾波電路

1.3 無線模塊電路

無線模塊采用SIM900A的GPRS雙頻模塊，和ESP8266的Wi-Fi模塊，他們的共同特點是具有尺寸小、硬件接口多、功耗低、傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快、通信協(xié)議簡單操作方便等眾多優(yōu)點，最重要的是內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更方便。單片機通過USART串口和該模塊進行通信，發(fā)送AT命令即可輕松完成配置，全雙工通信的性能使得終端和底層硬件實現(xiàn)完美結(jié)合，有效的提高了數(shù)據(jù)的實時性。設(shè)計中將Wi-Fi模塊接到了單片機的串口2，GPRS模塊接到了串口3，電路如圖5、6所示。

圖5 Wi-Fi模塊電路

1.5 電源模塊

電源部分分為+5 V和+3.3 V兩路電源。其中+5 V由USB接口提供，用來給無線模塊供電；由于放大電路采集的為微弱信號，因此為了保證電源的穩(wěn)定和純凈，+3.3 V采用AMS1117線性穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生，用來給單片機和運放供電[12-14]。整個電源模塊如圖7所示。

圖6 GPRS電路

圖7 整體電源電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件分為上位機部分和下位機部分。上位機部分主要為安卓APP，分為心電圖顯示部分、心率顯示和功能按鈕部分，心電圖顯示部分能夠?qū)崟r接收監(jiān)測儀檢測到的數(shù)據(jù)；下位機部分主要是單片機控制程序，分為A/D采集、數(shù)據(jù)計算處理、液晶顯示、Flash讀寫、無線模塊驅(qū)動、按鍵及LED驅(qū)動等。整體運行流程為：程序開始先進行一系列初始化配置，包括GPIO、SPI、ADC、USART、定時器、中斷和液晶的初始化。在主循環(huán)中進行實時的A/D轉(zhuǎn)換及按鍵掃描，在中斷程序內(nèi)部進行心率血氧計算、液晶顯示及數(shù)據(jù)發(fā)送。A/D采集使用STM32內(nèi)部12位A/D模塊，可以將0～3.3 V的電壓分成2^12份數(shù)字量，分辨率可達3.3/(2^12)V，也就是大約0.8 mV，可以通過歸一化后，可以直觀的顯示出脈搏信號的幅度大小，便于進行分析處理。心率計算的方法如下：首先將脈搏信號整型成矩形波，便于單片機采集，然后通過定時器的開關(guān)計算相鄰兩個低電平之間的時間差，則心率值=60 s/相鄰低電平時間差，也就是說檢測到低電平便開定時器，再次檢測到后，關(guān)掉計時器，計算出兩次的時間間隔，便可得到瞬時心率。

反射式血氧飽和度測量可以通過光電容積脈搏波信號的交流與直流信息計算得到。具體方法為，用單片機控制紅光和紅外光交替照射手指，然后測量不同光線的電壓值，然后根據(jù)上式計算其比值，即可近似得到血氧濃度[15-17]。整體的設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

3 測試與分析

3.1 心率、血氧模塊測試

人體標準的血氧飽和濃度范圍為90%以上，脈率范圍為60/min～100/min。正常情況下，心率和脈率相同，但如果病人有心臟疾病或者出現(xiàn)室顫等特殊情況時，心率會大于脈率。本次對同一個人連續(xù)進行5次測試，每次間隔時間1分鐘，結(jié)果如下表1。

表1 心率、血氧模塊測試數(shù)據(jù)表

3.2 血壓模塊測試

血壓測試的主要參數(shù)為舒張壓(低壓)，收縮壓(高壓)，正常成年人的收縮壓約為140～90 mm Hg，舒張壓約為90～60 mm Hg]。本次測試對同一個人進行5次血壓測量，結(jié)果如表2。

表2 血壓模塊測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)無創(chuàng)自動測量血壓計檢測技術(shù)標準(YY0670-2008)，血壓測量范圍為0～255 mm Hg，收縮壓和舒張壓的最大允許誤差為±10 mm Hg[45]。本次測量結(jié)果中，測量值與設(shè)定值有2到3 mm Hg的誤差，屬于標準范圍，所以血壓的測試結(jié)果基本滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

3.3 無線模塊測試分析

無線模塊的調(diào)試使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手和串口調(diào)試助手來完成。首先打開串口調(diào)試助手，使用USB-TTL串口線連接好無線模塊，使用AT指令將無線模塊配置成為Station模式：整個過程為發(fā)送AT+CWMODE=1，模塊返回OK；發(fā)送AT+CWLAP搜索無線路由器，模塊返回路由器列表；發(fā)送AT+CWJAP="haha","密碼xxxxxx"，連接上路由器，如果連接成功，模塊返回OK；打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，選擇TCP Server模式創(chuàng)建服務(wù)器；發(fā)送AT+CIPSTART="TCP","192.168.22.14",8080，連接上服務(wù)器，模塊返回OK。接下來發(fā)送AT+CIPSEND=6，設(shè)置數(shù)據(jù)長度，然后發(fā)送文本”HELLO！”，模塊返回OK，網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手接收到”HELLO!”，通信正常。結(jié)論如圖9所示。

圖9 無線模塊通信正常

3.4 安卓上位機顯示結(jié)果及分析

檢測結(jié)果通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到手機APP上，可以直觀地通過心電圖顯示病人的心臟搏動情況。心率顯示分為三個等級，過慢、正常和過快，心率數(shù)值可以隨著等級變換顏色，過慢為黃色，正常為綠色，過快為紅色。功能按鈕有健康分析、健康咨詢、在線預(yù)約、數(shù)據(jù)存儲、健康云等待開發(fā)功能，在手機上的測試結(jié)果如圖10所示。同時設(shè)計了整個系統(tǒng)的發(fā)送終端如圖11所示。

圖11 發(fā)送終端

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于Wi-Fi與GPRS的遠程生理參數(shù)測試系統(tǒng)，將Wi-Fi和GPRS技術(shù)應(yīng)用于心電監(jiān)測系統(tǒng)，使大量的心電數(shù)據(jù)傳輸由有線變?yōu)闊o線。完成了監(jiān)測部分和Android終端對人體生理參數(shù)精確測量和實時監(jiān)測。整個系統(tǒng)通用性好，易于擴展。整個設(shè)計成本低，且操作方便，非常適合不住院病人個體使用，具有良好的醫(yī)用推廣價值。

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