基于“去中心化”的人體生理參數(shù)檢測儀設(shè)計

引 言

開發(fā)一款易用、易維護的人體生理參數(shù)智能檢測儀，讓自助進行人體心電、脈搏、血氧等生理體征參數(shù)的檢測成為可能。數(shù)據(jù)能本地顯示、存儲、報警，并將檢測結(jié)果上傳到云服務(wù)器，實現(xiàn)手機 APP同步顯示和數(shù)據(jù)后處理、數(shù)據(jù)分享， 也能與遠程醫(yī)療平臺對接。

1 總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)由檢測儀終端、數(shù)據(jù)處理云服務(wù)器、移動手機端APP 構(gòu)成。設(shè)備通過 WiFi 接入無線網(wǎng)絡(luò)，云平臺采用中國移動 OneNET 云平臺，用于存儲和后處理數(shù)據(jù)，進行健康狀況分析、預警，移動手機端 APP 用于顯示信息以及醫(yī)患交流、數(shù)據(jù)分享 [1]。

檢測儀硬件主要分為主控板、生理數(shù)據(jù)采集模塊、GPS 模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源管理模塊。主控板完成核心控制功能，生理數(shù)據(jù)采集和后處理由各模塊獨立完成，再上傳主控板，組態(tài)串口屏獨立完成顯示功能，通過 UART 串口與主控板交互。系統(tǒng)功能不再集中到主控板，而是分散到各模塊。

1.2 系統(tǒng)功能描述

檢測儀終端采集人體生理參數(shù)，電容顯示屏以圖文形式顯示相關(guān)數(shù)據(jù)和人機交互。當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)遠程報警。報警時，對數(shù)據(jù)進行分析處理，必要時可根據(jù)地理位置開展救助。檢測儀整機設(shè)計方案如圖 1 所示。

2 硬件設(shè)計詳述

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，核心控制采用 STM32 低功耗系列處理器，具有 4 個 UART 串口 [2]。電源選擇可充電大容量鋰電池和外部供電雙電源系統(tǒng)。WiFi 模塊采用通用 ESP8266 模塊，液晶屏采用廣州大彩公司設(shè)計生產(chǎn)的組態(tài)串口液晶屏， 位置定位使用中科微 GPS 定位模塊 ATGM336H-5N，該模塊功耗較低，可使用電池供電，配合一鍵呼救功能，確保緊急情況下能進行遠程定位。上述三模塊均采用 UART 接口與MCU 對接。

2.1 體溫測量模塊

體溫測量采用探頭式結(jié)構(gòu)，探頭放于人體腋下，溫度傳感器為負溫度系數(shù) NTC 熱敏電阻，常見的熱敏電阻測溫范圍為 -20 ～ 200 ℃，精度可達 0.1 ℃，符合體溫測量要求 [3]。選擇熱敏電阻型號為 MF54-503E3950FA-30，測溫精度 0.01 ℃， 阻值精度 ±0.05% ；

基本溫度測量電路如圖 2 所示。電路由穩(wěn)壓輸入、測溫電橋、放大電路構(gòu)成。穩(wěn)壓輸入模塊使用穩(wěn)壓芯片 TL431， 體溫測量采用電橋和放大電路實現(xiàn)。NTC 電阻位于電橋電路左上臂，放大電路采用 TI 公司設(shè)計生產(chǎn)的 OP07 芯片，將熱敏電阻隨人體溫度變化而產(chǎn)生的變化通過電橋輸出電壓送入放大電路，得到方便測量的電壓信號，ADC 采用高精度連續(xù)自校準模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1100，將電信換算成體溫數(shù)據(jù)。為減少誤差，還需要進行標定和誤差補償處理，由單片機完成。將體溫測量部分電路加上 ADC 傳感器、單片機做成相對獨立的模塊，再通過 UART 接口接入系統(tǒng)核心板，保證數(shù)據(jù)精度符合醫(yī)療行業(yè)標準。

2.2 心率血氧測量模塊

采用 Maxim 公司設(shè)計生產(chǎn)的 MAX30102 芯片作為測量心率血氧參數(shù)傳感器，數(shù)據(jù)符合行業(yè)標準。該芯片體積小， 可應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上實現(xiàn)心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。通過標準 I2C 通信接口，將采集到的數(shù)值傳輸給單片機進行后續(xù)的心率和血氧計算。

為了進一步提高芯片的實用性和可靠性，將芯片及其周邊元件集成在一個模塊上，如圖 3 所示，使用時通過 I2C 接口接入核心板即可。

圖 3 心率血氧測量模塊

2.3 組態(tài)串口屏模塊

顯示和人機交互模塊采用新型組態(tài)串口屏，內(nèi)部集成TFT 顯示驅(qū)動、圖片字庫存儲、GUI 操作、RTC 顯示、各種組態(tài)控件于一體。系統(tǒng)采用 Cortex-M3+ 高速 FPGA 處理器，通過 ARM 實現(xiàn)協(xié)議的解析處理和 USB 圖片下載，F(xiàn)PGA 主要完成 FLASH 的圖片讀取和 TFT 控制顯示。使用功能相對獨立的串口屏，使系統(tǒng)控制功能和顯示功能分離，降低了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，可靠性高。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件劃分為四部分，分別是檢測儀的主程序控制 ；ESP8266 模塊的 WiFi 接入 ；云平臺接入 ；手機端 APP 開發(fā)。

3.1 單片機核心控制部分

體溫測量模塊和血氧測量模塊均為獨立模塊，通過 I2C 接口接入單片機，ESP8266 模塊、GPS 定位模塊、組態(tài)串口屏模塊均通過 UART 串口接入單片機 [4]。

顯示功能采用組態(tài)串口屏，數(shù)據(jù)顯示和人機交互均通過串口發(fā)送指令實現(xiàn)，控制功能和人機界面功能分離。因此系統(tǒng)初始化后，運行一個簡單的前后臺系統(tǒng)即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用 ESP8266 模塊接入 WiFi，在其開發(fā)平臺上利用 Lua 腳本語言實現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括 WiFi 智能路由無線連接功能、MQTT 客戶端與 MQTT 云服務(wù)器端數(shù)據(jù)通信功能， 由于該模塊功能比較成熟，本文不再詳述 [5]。

3.3 OneNET云平臺

OneNET 是中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，開發(fā)文檔完善，開發(fā)者只需按照 OneNET 平臺的規(guī)范接入平臺，上傳設(shè)備數(shù)據(jù)即可。數(shù)據(jù)存儲在云端，需要時可以從云平臺下載到本地進行分析處理，平臺提供觸發(fā)器功能，可以將滿足條件的數(shù)據(jù)推送給第三方，本文利用平臺的觸發(fā)器功能，將數(shù)據(jù)推送到第三方服務(wù)器。

4 系統(tǒng)測試

搭建系統(tǒng)后，對終端進行測試，同時開啟手機 APP，云平臺和手機同步顯示生理數(shù)據(jù)，如圖 4 所示。當人體出現(xiàn)異常時，將數(shù)據(jù)上傳至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，醫(yī)療數(shù)據(jù)處理服務(wù)器會對監(jiān)測對象進行定位，位置顯示在電子地圖上，同時顯示報警監(jiān)測對象的詳細數(shù)據(jù)信息、個人聯(lián)系方式、詳細的地圖定位。測試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測與報警、監(jiān)測對象位置定位等功能。手機 APP 顯示測量結(jié)果如圖 4 所示。

5 結(jié) 語

本文提出一種去中心化的新型產(chǎn)品設(shè)計思路，類似計算機分布式處理，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的去中心化。體溫測量模塊和血氧模塊作為獨立模塊出現(xiàn)，并單獨進行數(shù)據(jù)處理，保證測量數(shù)據(jù)符合相關(guān)標準，核心處理器 MCU 只負責接收各模塊的數(shù)據(jù)并控制，顯示和人機交互部分采用相對獨立的組態(tài)串口屏，實現(xiàn)控制和顯示功能的分離，對 MCU 的資源要求降低。WiFi 接入和 GSP 定位模塊也采用了相對獨立的模塊。各模塊功能相對獨立，模塊內(nèi)部功能高度內(nèi)聚，模塊之間低耦合，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)可靠性，方便后期故障檢測和維護。試驗表明，本設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，人機界面友好，這種將功能合理分散的“去中心化設(shè)計”思路有很高的借鑒價值。