基于藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（廣西醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣西 南寧 530021）

0 引 言

目前臨床上使用的監(jiān)護(hù)儀大多采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)，密布的導(dǎo)線增加了布置監(jiān)護(hù)儀的困難，如狹小的救護(hù)車上。同時(shí)醫(yī)生只有站在儀器前才能查看體征數(shù)據(jù)，當(dāng)需要管理多位病人時(shí)，醫(yī)生需要來(lái)回走動(dòng)，增大了工作量，延誤了救治時(shí)間。此外，這些監(jiān)護(hù)儀普遍缺乏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，給醫(yī)生分析、錄入病人歷史數(shù)據(jù)帶來(lái)了困難[1]。在此背景下，本文介紹了一款基于藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)、管理病人的體溫、脈率和脈搏數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程傳輸至手機(jī)或電腦，解決目前臨床監(jiān)測(cè)體溫時(shí)所面臨的問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片，紅外測(cè)溫模塊采用MLX90614紅外溫度傳感器，該傳感器通過(guò)I/O口與單片機(jī)相連。通過(guò)TCRT5000紅外傳感器采集脈搏波信號(hào)，采集后的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后，一路信號(hào)輸入單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，得到脈搏波；另一路經(jīng)過(guò)整形電路轉(zhuǎn)成方波信號(hào)輸入單片機(jī)I/O口計(jì)算脈率。藍(lán)牙模塊采用HC-05芯片，該芯片與單片機(jī)通過(guò)串口通信，單片機(jī)將傳感器采集的體溫值和脈率通過(guò)串口發(fā)送給HC-05，HC-05再通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)或電腦等，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病人體征數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 紅外測(cè)溫模塊

紅外測(cè)溫模塊采用Melexis公司出品的MLX90614系列高精度紅外測(cè)溫芯片，為TO-39封裝，封裝中集成了紅外測(cè)溫傳感器芯片和用于信號(hào)處理的芯片。信號(hào)處理芯片具有低噪聲放大、高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理等功能。溫度計(jì)進(jìn)行了出廠校準(zhǔn)，以滿足高精度和高分辨率的要求。MLX90614有默認(rèn)的SMBus（系統(tǒng)管理總線）和10位數(shù)字PWM輸出模式，此PWM模式可應(yīng)用于連續(xù)監(jiān)測(cè)物體溫度，監(jiān)測(cè)溫度范圍為-20～120 ℃，分辨率[2]為0.14 ℃，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MLX90614內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MLX90614采用標(biāo)準(zhǔn)TO-39封裝，該封裝有4個(gè)引腳，分別為SCL/Vz、PWM/SDA、VSS和VDD，各引腳功能見表1所列。

表1 XLM90614引腳功能

MLX90614與單片機(jī)連接時(shí)，將SCL、PWM/SDA引腳直接連接單片的I/O口，如圖3所示。

圖3 MLX90614與單片機(jī)連接電路

3 脈搏采集模塊

特定波長(zhǎng)紅外線對(duì)于血管末端血液容積的變化十分敏感，利用此特性可以檢測(cè)由于心臟跳動(dòng)而引起血管末端血液中血氧蛋白含量的變化。此信號(hào)經(jīng)放大、濾波等處理后，可以輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出脈率。此種方法所得信號(hào)即基于PPG的脈搏波信號(hào)（光電容積描記的脈搏波信號(hào)）[3]。此方法無(wú)創(chuàng)且測(cè)量結(jié)果較精確，只需測(cè)量患者手指末端的毛細(xì)血管即可得到脈搏波信號(hào)，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

本設(shè)計(jì)采用TCRT5000紅外傳感器采集脈搏信號(hào)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作原理：接通5 V電源使紅外發(fā)射管發(fā)光，紅外發(fā)射管將紅外線射向人體，將透過(guò)皮膚組織反射回來(lái)的光射入接收管。通過(guò)檢測(cè)接收管的電流感知反射平面的反射強(qiáng)度，根據(jù)電流強(qiáng)弱，輸出不同強(qiáng)度的脈搏波。

圖4 TCRT5000電路原理

3.1 放大電路

放大電路原理如圖5所示。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)兩級(jí)放大電路，兩級(jí)均采用OP07運(yùn)算放大器。兩塊OP07采用5 V單電源供電，第一級(jí)放大倍數(shù)為40倍。

圖5 放大電路原理

第二級(jí)放大倍數(shù)為20倍，兩級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為20×40=800倍。

3.2 濾波電路

濾波電路如圖6所示。10 kΩ電阻和0.47 μF電容組成二階RC低通濾波器，截止頻率為14.91 Hz。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率大于截止頻率14.91 Hz時(shí)，濾波電路會(huì)將該信號(hào)濾除，同時(shí)，電路中50 Hz的工頻干擾也將被濾除。

圖6 濾波電路原理

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

為了計(jì)算脈率，還需將脈搏波信號(hào)整形成數(shù)字方波信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，采用運(yùn)算放大器LM358搭建比較器，單電源5 V供電。脈搏波信號(hào)從運(yùn)放的正向輸入端輸入，向反向輸入端輸入3 V電壓，當(dāng)輸入的脈搏波信號(hào)大于3 V時(shí)運(yùn)放輸出3.8 V電壓，反之，運(yùn)放輸出0 V電壓，將脈搏波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。方波信號(hào)輸入單片機(jī)I/O口，計(jì)算方波頻率，從而算出脈率。

圖7 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理

4 藍(lán)牙模塊

為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能，本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)體征參數(shù)功能。將藍(lán)牙模塊波特率設(shè)置為9 600 b/s，從機(jī)工作模式，與單片機(jī)串口相連接。用戶可以將手機(jī)、電腦等帶有藍(lán)牙功能的上位機(jī)與HC-05模塊相連，單片機(jī)將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給HC-05，HC-05收到數(shù)據(jù)后再通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控體征數(shù)據(jù)的目的。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目使用MATLAB開發(fā)了一個(gè)上位機(jī)軟件，軟件界面如圖8所示。該軟件采用GUI界面設(shè)計(jì)繪制采樣得到的脈搏波，并監(jiān)測(cè)體溫和脈率。將電腦藍(lán)牙打開，與HC-05藍(lán)牙模塊配對(duì)后，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

圖8 上位機(jī)界面

上位機(jī)軟件流程如圖9所示。

圖9 上位機(jī)程序流程

打開藍(lán)牙通信串口，上位機(jī)發(fā)送指令控制單片機(jī)采樣的啟動(dòng)與停止，由單片機(jī)采集所得的脈搏和體溫信號(hào)經(jīng)藍(lán)牙發(fā)送至上位機(jī)。藍(lán)牙發(fā)送的采樣值拆分為八位發(fā)送，上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)重整理，經(jīng)由MATLAB制作的GUI界面顯示，利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了在上位機(jī)端對(duì)溫度以及脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示與分析。

5.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件采用C51語(yǔ)言編寫，其流程如圖10所示。

圖10 單片機(jī)程序流程

首先檢測(cè)從上位機(jī)發(fā)來(lái)的查詢信號(hào)，如果是1，則開啟測(cè)溫開關(guān)，測(cè)10次溫度，求出平均值，在數(shù)碼管上顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳給上位機(jī)；如果收到的查詢信號(hào)是2，則開啟接收方波信號(hào)，計(jì)算方波的頻率得到脈率，然后開啟單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，將脈搏波轉(zhuǎn)成數(shù)字量，最后通過(guò)藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

6 系統(tǒng)測(cè)試

6.1 體溫測(cè)試

在安卓操作系統(tǒng)的MOTO X手機(jī)上安裝藍(lán)牙串口軟件SPP，通過(guò)該軟件向單片機(jī)發(fā)送數(shù)字1，即可查詢體溫值，發(fā)送數(shù)字2，即可查詢脈率。同時(shí)使用聯(lián)想Pro13筆記本電腦安裝MATLAB上位機(jī)程序，將手機(jī)和電腦的藍(lán)牙打開，與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)藍(lán)牙配對(duì)，監(jiān)測(cè)測(cè)試者的體溫。

選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，分別在8:00，15:00，20:00時(shí)使用精密水銀溫度計(jì)測(cè)量其腋下體溫，再使用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在以上3個(gè)時(shí)段測(cè)量志愿者的腋下體溫，比較兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果見表2所列。

表2 水銀溫度計(jì)與物聯(lián)網(wǎng)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果比較 ℃

測(cè)試的最大體溫誤差率僅為0.46%，符合醫(yī)學(xué)上對(duì)體溫測(cè)量精度和準(zhǔn)確度的要求。

6.2 脈率測(cè)試

選取甲、乙、丙三位身體健康的志愿者，分別在8:00，15:00，20:00時(shí)采用飛利浦VM8心電監(jiān)測(cè)儀測(cè)量脈率，再使用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀在以上3個(gè)時(shí)段測(cè)量志愿者的脈率，比較兩者的測(cè)量數(shù)據(jù)。脈率的測(cè)量結(jié)果見表3所列。

表3 VM8心電監(jiān)測(cè)儀與物聯(lián)網(wǎng)多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果比較 次/min

此次測(cè)試誤差較小，結(jié)果較準(zhǔn)確，符合醫(yī)學(xué)上對(duì)體溫測(cè)量精度和準(zhǔn)確度的要求。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于藍(lán)牙的多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、讀數(shù)快，可以通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)體溫等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，此系統(tǒng)輸出響應(yīng)良好，誤差小，可應(yīng)用于臨床治療、科學(xué)研究等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。