基于WiFi的遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

葉琦，趙玉榮，豆全輝，張俊龍，張洪偉

（安徽新華學院，安徽合肥，230088）

0 引言

近年來，健康系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用明顯增加，主要體現(xiàn)在遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)、醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問以及緊急情況下與護理人員通信等領(lǐng)域。使用WiFi，我們可以輕松設(shè)計一個簡單而有效的系統(tǒng)，進行持續(xù)監(jiān)視患者的狀況。可以在正?；蚓o急情況下如在家中、病房以及重癥監(jiān)護室（ICU）中及時了解患者周圍的環(huán)境和自身健康程度。

1 系統(tǒng)工作原理

■1.1 功能要求

本設(shè)計采用STM32單片機作為主控MCU，利用WiFi傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性進行雙機通信，在從機采集板上安裝溫濕度傳感器DHT11、PM2.5傳感器、煙霧傳感器以及心率傳感器，還有四個按鍵，兩個繼電器，而在主機板上則有兩個按鍵電路、一個蜂鳴器電路和一個LCD12864液晶顯示模塊。

具體實現(xiàn)如下的功能：

(1)從機采集板實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度、PM2.5濃度、煙霧濃度以及病人心率進行采集并通過WiFi傳輸?shù)街鳈C；

(2)從機采集板的四個按鍵可以實現(xiàn)呼叫功能傳輸?shù)街鳈C板并通過蜂鳴器提醒和液晶顯示屏顯示相應(yīng)的按鍵序號；

(3)主機板可以將收集到的數(shù)據(jù)實時顯示在LCD12864液晶顯示器上；

(4)主機板的兩個按鍵可以實現(xiàn)對兩個繼電器的分別控制。

■1.2 設(shè)計方案

本設(shè)計采用的是基于Arm?Cortex?-M處理器的STM32系列單片機。它提供的產(chǎn)品結(jié)合了高性能，實時功能，數(shù)字信號處理，低功率/低壓操作和連接性，同時保持了完全集成和易于開發(fā)。系統(tǒng)分為從機采集板和主機操作板，從機采集板將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5濃度、煙霧濃度以及心率通過WiFi傳輸?shù)綇臋C操作板，并通過LCD顯示出來，如果有數(shù)據(jù)異常，主機操作板的蜂鳴器會報警提醒[1]。從機采集板的四個按鍵分辨代表四個床位，每按下一個按鍵，主機操作板上的蜂鳴器也會做作響且液晶屏上顯示相應(yīng)的床位號。從機采集板共有兩個繼電器，充當兩個開關(guān)，分別控制空氣凈化設(shè)備和加濕器，以便于更好的改善室內(nèi)環(huán)境。具體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 設(shè)計方案框圖

2 功能模塊介紹

■2.1 煙霧濃度采集電路

煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制路[2]。

MQ-2型煙霧探測器是屬于對二氧化錫半導體氣體敏感的材料，屬于具有離子表面的N型半導體。二氧化錫在200-300攝氏度下從空氣中吸收氧氣并形成負氧離子，這樣能夠降低半導體的電子密度，從而增加其電阻。與煙接觸時，表面電導率會隨著煙氣調(diào)節(jié)改變對晶界的潛在障礙而發(fā)生變化。有了這些信息，就可以知道這種煙霧的存在。密度越高的煙霧，其電導率就越高，輸出的電阻就越低，并且模擬信號輸出也越高。使用MQ-2煙霧傳感器檢測火災(zāi)煙霧的最佳方法是將其輸出電壓與閾值電壓進行比較（閾值電壓需要進行煙霧測試）。MQ-2的計算公式：阻值R與空氣中被測氣體的濃度C的計算關(guān)系式如公式1：

常數(shù)n：與氣體檢測靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。

常數(shù)m：表示隨氣體濃度而變數(shù)的傳感器的靈敏度（也稱作為氣體分離率）。對于可燃性氣體來說，m的值多數(shù)介于1/2至1/3之間。

■2.2 溫濕度檢測電路

DHT11通過測量兩個電極之間的電阻來檢測水蒸氣，濕度感測部件具有在其表面上施加電極的水分保持基板。當水蒸氣被襯底吸收時[3]，離子被襯底釋放，這增加了電極之間的導電性。兩個電極之間的電阻變化與相對濕度成正比，較高的相對濕度會降低電極之間的電阻，而較低的相對濕度會增加電極之間的電阻。DHT11模塊在系統(tǒng)中的電路圖如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測電路

DHT11通過內(nèi)置在單元中的表面安裝NTC溫度傳感器（熱敏電阻）來測量溫度。DHT11溫濕度傳感器的一些工作參數(shù)如下。濕度范圍：20-90%RH；濕度精度：±5%RH；溫度范圍：0-50°C；溫度精度：±2%°C；工作電壓：3V至5.5V。DHT11測量相對濕度。相對濕度是空氣中水蒸氣的量相對于空氣中水蒸氣的飽和點。在飽和點，水蒸氣開始凝結(jié)并積聚在形成露水的表面上。飽和點隨氣溫變化。冷空氣在飽和之前可以容納較少的水蒸氣，而熱空氣在飽和之前可以容納較多的水蒸氣。

■2.3 心率監(jiān)測電路

脈率心率傳感器是用于測試心率的傳感器，本質(zhì)上是具有集成放大器和噪聲消除電路的光學心率傳感器。該傳感器可用于開發(fā)與心率有關(guān)的交互式任務(wù)，傳感器可以戴在手指或耳垂上，光電傳感器將脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號，此設(shè)備要求將手指放在傳感器撥盤上。光電傳感器是光學心率傳感器，集成了放大電路和噪聲消除電路。光電傳感器上的發(fā)光二極管發(fā)光通過脈沖，檢測指尖和耳垂處定期更改的動脈血量[4]，同時穿過指尖的光強度也會更改。心率檢測模塊整體電路如圖3所示。脈搏心率傳感器模塊接口原理圖如圖4所示。

圖3 心率監(jiān)測電路設(shè)計

圖4 脈搏心率傳感器模塊接口

■2.4 WiFi傳輸模塊

MOD-WiFi-ESP8266是UEXT擴展模塊，帶有著名的ESP8266 UART轉(zhuǎn)WIFI IC。通過此模塊，可以為具有UEXT連接器的其他Olimex開發(fā)板添加WIFI功能。帶有已安裝的2MB SPI閃存。MOD-WiFi-ESP8266是將其用作現(xiàn)有Olimex板的簡單硬件擴展。這就是為什么它具有UEXT連接器。將其插入具有UEXT連接器的另一塊板上，并且硬件連接已完成即可實現(xiàn)功能。WiFi模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 WiFi傳輸模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計主要是通過WiFi連接主從機，從機進行對環(huán)境溫濕度、PM2.5濃度、煙霧濃度和心率的檢測，通過WiFi發(fā)送到主機系統(tǒng)上，并通過LCD12864液晶顯示器顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。并且從機本身可以實現(xiàn)對環(huán)境PM2.5的調(diào)節(jié)和環(huán)境濕度的調(diào)節(jié)。如果上述所有數(shù)據(jù)中的一個發(fā)生異常，從機系統(tǒng)將通過WiFi傳輸?shù)街鳈C系統(tǒng)并通過蜂鳴器發(fā)出警報，從機設(shè)有四個按鍵分別代表四個床位的設(shè)計，有尋呼的功能，主機的兩個按鍵分別控制從機兩個繼電器的開關(guān)以用來控制空氣凈化設(shè)備和加濕器的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 實物測試

■4.1 心率檢測功能測試

由于心率檢測電路采用的是光學檢測，所以當指尖放在心率檢測模塊頂端時，我們可以看到LM393比較器上面的綠色指示燈在閃爍，這就是比較器比較之后的結(jié)果，說明正在進行對心率的采集工作。從機的STM32主控將會對這一數(shù)據(jù)進行采集，并顯示在主機設(shè)備上，如果主機液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)準確，說明測試成功。此時我們將指尖不斷地輕輕且快速拍擊傳感器，用來模擬心率過快的現(xiàn)象，如果主機上的蜂鳴器發(fā)出聲響，說明閾值設(shè)置成功，主機平臺可以自行判斷心率是否正常并向醫(yī)護人員發(fā)出報警信息。經(jīng)測試，功能正常運行，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 心率檢測功能測試

■4.2 煙霧濃度檢測功能測試

MQ-2煙霧濃度檢測模塊檢測的是空氣中可燃氣體的濃度，不同于PM2.5模塊檢測的是空氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物[5]。對于MQ-2的測試，可以用打火機進行簡單的測試，首先將打火機靠近傳感器，然后輕微的放出氣體，觀察主機中的煙霧濃度變化，以判斷功能是否正常，如果煙霧濃度過高，主機是否會發(fā)出警報。經(jīng)判斷，功能運行正常，測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 煙霧檢測功能測試

■4.3 病床呼叫和繼電器控制功能測試

在從機采集板中，有四個按鍵用來模擬病房中的四個床位，每當一個按鍵按下之后，在主機的液晶顯示屏中將會準確的顯示相應(yīng)的床位號，以便于醫(yī)護人員更好的判斷是哪個床位在呼叫，當呼叫發(fā)生時，主機的蜂鳴器會發(fā)出聲響以便于更好的提醒醫(yī)護人員。當主機觀察到空氣中PM2.5的含量過高或環(huán)境溫度過高時，醫(yī)護人員可以通過主機中的兩個按鍵分別控制兩個繼電器，兩個繼電器分別接入空氣凈化器和加濕器，用來調(diào)整病房的環(huán)境。經(jīng)過測試，兩項功能正常，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 病床呼叫和繼電器控制功能測試