霧霾預(yù)警及人體健康建議智能穿戴設(shè)計(jì)

引 言

隨著近年來我國空氣質(zhì)量的惡化，霧霾天氣逐漸增多，人體呼吸系統(tǒng)的影響尤為明顯，因此可從測(cè)定心率和呼吸頻率這兩個(gè)能夠表現(xiàn)人體呼吸系統(tǒng)健康的兩個(gè)重要因素著手 [1-3] 監(jiān)測(cè)人體健康數(shù)據(jù)。手機(jī)的發(fā)展已不再是通信終端，還包含了許多生活、工作中必備的功能，用戶對(duì)手機(jī)依賴度不斷提升。隨著智能手機(jī)和手機(jī)應(yīng)用的日漸普及，Android的崛起逐呈現(xiàn)出一個(gè)動(dòng)態(tài)局面。4G 的廣泛存在使得信息服務(wù)形成一個(gè)以受眾為中心，網(wǎng)絡(luò)全方位覆蓋、業(yè)務(wù)全能力提供、終端全形態(tài)呈現(xiàn)的全媒體信息網(wǎng)絡(luò)。受眾可在任何時(shí)間、地點(diǎn)利用任何終端享有全媒體的信息服務(wù)。隨著人們生活水平的提高，健康問題成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，智能機(jī)和高速網(wǎng)絡(luò)的大范圍普及成為人們關(guān)注健康的最便捷途徑 [4-5]。由于 Android 手機(jī)的普遍性越來越強(qiáng)，已有部分廠商開發(fā)出類似 APP 能夠?qū)崟r(shí)顯示 PM2.5 及天氣指數(shù)，也有相關(guān) APP可通過攝像頭單獨(dú)采集人體心率指數(shù)，如天氣通、Heartrate等。一些廠商基于 Android 平臺(tái)開發(fā)出相關(guān)硬件產(chǎn)品。如小米手環(huán)、Jawbone 等，它們一般都適用于健康人群的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)，如計(jì)步、運(yùn)動(dòng)卡路里指數(shù)消耗和睡眠指數(shù)監(jiān)測(cè)等。但兩者并未相互結(jié)合，這類智能儀器的最大問題在于其同步并不是無線和實(shí)時(shí)的，需要通過接口和手機(jī)平板之間進(jìn)行傳輸，并同步數(shù)據(jù)，才能獲得結(jié)果。因此智能手環(huán)還不如手機(jī)自帶的健康運(yùn)動(dòng)應(yīng)用程序，或?qū)I(yè)的卡路里計(jì)步器。而 APP 市場(chǎng)的各種健康軟件，并沒有做到結(jié)合人體指標(biāo)和外界因素做出合理建議，即使蘋果公司推出了 iWatch 并連接 iPhone 提供實(shí)時(shí)監(jiān)控，也沒做到對(duì)不同個(gè)體提出個(gè)性化建議。本設(shè)計(jì)將軟件部分和硬件部分相結(jié)合，通過硬件部分對(duì)人體指標(biāo)監(jiān)測(cè)，并傳送給 APP，并由 APP 與相關(guān)天氣指數(shù)相結(jié)合，根據(jù)用戶個(gè)人相關(guān)的身體情況，推送出更為合理的健康建議 [4]。

1 霧霾對(duì)人體健康影響

近些年肺癌的得病率呈很大的上升趨勢(shì)，特別是對(duì)于患有呼吸系統(tǒng)疾病的人，霧霾天氣對(duì)其影響尤為顯著 [5]。霧霾中有毒物質(zhì)達(dá)二十多種，包括酸、堿、鹽、胺酚、塵埃、花粉、螨蟲、結(jié)核桿菌、肺炎球菌等，其含量是普通大氣水滴的幾十倍。霧霾中主要對(duì)人體造成危害的是 PM2.5。PM2.5 所含的細(xì)微顆粒物可進(jìn)入細(xì)支氣管、肺泡，再通過肺泡壁進(jìn)入毛細(xì)血管，進(jìn)而進(jìn)入整個(gè)血液循環(huán)系統(tǒng)，嚴(yán)重危害人體健康。人長期處于霧霾天氣中，可能會(huì)引發(fā)急性上呼吸道感染等各種呼吸系統(tǒng)疾病。特別是對(duì)于患有呼吸系統(tǒng)疾病的人，霧霾天氣對(duì)其影響尤為顯著 [6]。PM2.5 指數(shù)對(duì)人體健康影響見表1 所列。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究針對(duì)霧霾天氣進(jìn)行預(yù)警，并能對(duì)人們生活和身體健康提出一定的建議。使用 Android 移動(dòng)終端下載國家權(quán)威部門發(fā)布的霧霾 PM2.5 指數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的心率和呼吸等生理指標(biāo)，將兩者數(shù)據(jù)綜合，對(duì)用戶的身體狀況進(jìn)行綜合評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上對(duì)用戶的生活和起居給出建議。技術(shù)關(guān)鍵包括 ：

（1）對(duì)生理指標(biāo)進(jìn)行方便實(shí)時(shí)的采集與傳輸 ；

（2）建立基于統(tǒng)計(jì)大樣本的模糊評(píng)價(jià)模型 ；

（3）軟硬件的嵌入與融合。本系統(tǒng)分為軟硬件兩部分，其中軟件為基于 Java 開發(fā)的 Android 應(yīng)用 ；硬件部分為人體呼吸指標(biāo)監(jiān)測(cè)部分，采用非接觸式測(cè)量方式自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，濾波處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)云平臺(tái)傳輸?shù)揭苿?dòng)端，從而獲取呼吸頻率。該設(shè)計(jì)適用于中老年及呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監(jiān)護(hù)。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，在家中則需要專人看護(hù)。本產(chǎn)品對(duì)使用者部分生理指標(biāo)進(jìn)行不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)實(shí)時(shí)霧霾指數(shù)提出建議，可部分替代專人看護(hù)，具有較好的研究意義。

目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康， 因此本研究項(xiàng)目和生產(chǎn)推廣將帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益 ；針對(duì)實(shí)時(shí)天氣指標(biāo)，特別是 PM2.5 指標(biāo)值，對(duì)用戶個(gè)體進(jìn)行個(gè)性化預(yù)警信息預(yù)報(bào)和推送。同時(shí)收集了部分?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)展開了初步分析，通過 Android 平臺(tái)軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，包括軟件開發(fā)測(cè)試運(yùn)行、硬件開發(fā)及軟硬件聯(lián)機(jī)測(cè)試、可穿戴式硬件設(shè)計(jì)制作、MCU 程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和戶穿戴貼身式背心等。

系統(tǒng)流程主要由以下七個(gè)部分構(gòu)成，如圖 1 所示。硬件端設(shè)計(jì)智能穿戴用于采集人體呼吸頻率數(shù)據(jù)，并通過云端接口將數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)端，同時(shí)手機(jī)端通過攝像頭采集人體心跳頻率數(shù)據(jù)，并調(diào)取中國氣象網(wǎng)接口請(qǐng)求本地實(shí)時(shí)PM2.5 數(shù)據(jù)后，將三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比數(shù)據(jù)庫，匹配合理健康建議，最終通過手機(jī)端 APP 推送給用戶。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)分為兩部分 ：一部分是傳感器設(shè)計(jì)，用于采集人體呼吸頻率指標(biāo) ；另一部分是云平臺(tái)搭建。硬件部分使用STM32F407 系列單片機(jī)，該款芯片具體參數(shù)等已在文章《基 于 STM32 單片機(jī)激光壓制追捕系統(tǒng)設(shè)計(jì)》中有詳細(xì)介紹，云平臺(tái)的搭建采用在 STM32 單片機(jī)外設(shè)接 WiFi 模塊，使用慶科基帶移植，機(jī)智云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)專用 API 接口傳輸

至 Android 手機(jī) APP 中 [7-8]。

傳感器部分采用平板電容器模型 ：

 C=ξS/d

式中：C 為電容，ξ 為電容率，S 為極板正對(duì)面積，d 為平板垂直距離。人體呼吸過程中由于胸腔內(nèi)人體器官組織在呼氣和吸氣過程中的變化，會(huì)引起電容率 ξ 的變化，從而使電容C 改變。因此只要檢測(cè)出電容 C 的變化，便可得到人體呼吸頻率，呼吸頻率測(cè)量傳感器模型如圖 2 所示。

測(cè)量電容 C 電路采用 ne555 芯片構(gòu)成多諧振蕩器，電路如圖 3 所示。通過多諧振蕩電路觸發(fā)脈沖接入 STM32單片機(jī)得到電容充放電時(shí)間，再通過計(jì)算可得到電容大小變化 [9-12]。

實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)測(cè)試階段使用示波器觀察到的波形圖如圖 4所示，該波形經(jīng) Matlab 處理后的數(shù)據(jù)如圖 5 所示。該波形是分別測(cè)得的三組人體呼吸數(shù)據(jù)，可表示人體呼吸頻率曲線，實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)備可收集到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

最后通過串口程序，經(jīng) WiFi 傳輸至云端，便可實(shí)現(xiàn)呼吸頻率采集工作。

4 成品圖

實(shí)驗(yàn)室成品圖測(cè)試和可穿戴成品圖分別如圖 6 和 7 所 示。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段采用金屬極板作為點(diǎn)擊測(cè)試，成品階段使用弱性導(dǎo)電防輻射布料作為電極，測(cè)試效果均達(dá)到理想效果。

5 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)最重要的創(chuàng)新點(diǎn)是將硬件與軟件相結(jié)合，使用戶在使用過程中能與自身相結(jié)合，更適合個(gè)人應(yīng)用，符合目前的物聯(lián)網(wǎng)潮流。即有硬件收集個(gè)人數(shù)據(jù)并傳輸給軟件段進(jìn)行處理，用戶能方便地獲取信息。

該產(chǎn)品適用于中老年及患有呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監(jiān)護(hù)。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，而在家中則需要專人看護(hù)。本產(chǎn)品對(duì)使用者部分生理標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并針對(duì)實(shí)時(shí)霧霾指數(shù)提出建議，可部分替代專人的看護(hù)，同時(shí)目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義