呂洋

（中南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000）

0 引言

隨著我國(guó)人口老齡化的快速發(fā)展，獨(dú)守“空巢”的老人日益增多，他們的身體健康問(wèn)題令人堪憂，能在遠(yuǎn)程及時(shí)了解他們的健康狀況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)就醫(yī)成為家人的迫切愿望。該產(chǎn)品利用Arduino 知識(shí)、傳感器技術(shù)、C 語(yǔ)言程序、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、3D打印技術(shù)等知識(shí)，研制出一種價(jià)格低廉、便于攜帶、適用廣泛的生命體征遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，可以隨時(shí)隨地監(jiān)看到獨(dú)居老人的生命體征數(shù)據(jù)，當(dāng)有指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)將采集到的脈搏等模擬數(shù)值通過(guò)模擬端口直接傳輸?shù)街醒胩幚砥鰽rduino，這些模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法計(jì)算出反映生命體征的各個(gè)數(shù)據(jù)，這些體征數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出至上位機(jī)，通過(guò)processing 軟件將參數(shù)曲線圖顯示出來(lái)，系統(tǒng)將各個(gè)體征數(shù)據(jù)與設(shè)定的正常值進(jìn)行比較，當(dāng)指標(biāo)不在正常值范圍時(shí)，該裝置通過(guò)判斷語(yǔ)句運(yùn)行報(bào)警程序，蜂鳴器輸出報(bào)警音頻。系統(tǒng)同時(shí)將實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266 模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)收到的生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存、判斷，當(dāng)接收到的數(shù)值達(dá)到在物聯(lián)平臺(tái)設(shè)置的報(bào)警閾值時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接發(fā)送郵件或微博等信息到親屬的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)手機(jī)報(bào)警。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，用戶隨時(shí)隨地可以使用手機(jī)、平板或PC 登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或掃描分享的二維碼快速方便的實(shí)時(shí)查看生命體征數(shù)據(jù)以及記錄的歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)實(shí)時(shí)共享。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 硬件電路

脈搏信號(hào)的檢測(cè)原理簡(jiǎn)單且具有代表性，對(duì)其做進(jìn)一步的計(jì)算分析，還可以得到心率變異等其他生理參數(shù)。其他如體溫、血氧等的傳感器接入原理一致，因此硬件連接我們只接入脈搏傳感器，以脈搏傳感器的接入實(shí)現(xiàn)生命體征遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。

將脈搏傳感器的正極端接到Arduino 板的5V 接口，負(fù)極端接到GND，S 端連接到模擬口A0。

■2.2 脈搏傳感器模塊

這款心率傳感器體積小巧，可以對(duì)身體的不同部位進(jìn)行測(cè)試。本傳感器采用光電容積法，測(cè)量準(zhǔn)確。光電容積法是利用人體組織在每次心臟泵血時(shí)通過(guò)身體外周造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量。由于脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也是隨著心臟的搏動(dòng)發(fā)生周期性變化，因此光電變換器的電信號(hào)變化周期就是脈搏心率。

圖2

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 使用Pulse sensor 進(jìn)行心率采集算法

心率是一分鐘內(nèi)人體的心跳次數(shù)，如果能測(cè)量出相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔（ms），用一分鐘除（60000ms)以這個(gè)間隔就能計(jì)算出心率。由此引出了IBI 和 BPM 兩個(gè)值的概念,IBI 就是相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔（單位：ms），BPM就是心率，一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)。BPM=60000/ IBI。

只有能識(shí)別出一個(gè)脈搏，才能計(jì)算出兩個(gè)相鄰脈搏之間的時(shí)間間隔。在編寫程序時(shí)可以通過(guò)檢測(cè)脈搏波的波峰來(lái)識(shí)別脈搏，設(shè)定一個(gè)參考值，當(dāng)讀取到的信號(hào)值大于或等于這個(gè)參考值時(shí)便可以認(rèn)為檢測(cè)到一個(gè)脈搏。但是經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，每次波形的振幅大小不一，不同的測(cè)試部位，參考值也不同，所以不能用大于或等于一個(gè)固定的參考值來(lái)判斷波峰的識(shí)別。

通過(guò)對(duì)多個(gè)周期信號(hào)輸出的振幅值分析，可以采集到信號(hào)的振幅的最高值與最低值，取最高值與最低值的平均值作為參考值，再用這個(gè)參考值閾值對(duì)采集的電壓值進(jìn)行比較判定，大于或等于這個(gè)參考值，識(shí)別一次波峰。使用時(shí)間函數(shù)對(duì)一次脈沖的開(kāi)始和結(jié)束分別計(jì)時(shí)，差值就是IBI 的值。利用數(shù)組記錄10 組IBI 的值，再取這10 個(gè)IBI 的平均值，以獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，最后用60000 除以IBI 的值便計(jì)算出心率BPM 的值。

主要代碼如下：

■3.2 ESP8266 模塊

物聯(lián)網(wǎng)不但是新一代信息技術(shù)的重要組成，而且是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，只不過(guò)用戶端實(shí)現(xiàn)了任何物品與物品之間都可以進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)等通信感知技術(shù)，被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

ESP8266 系列芯片是樂(lè)鑫信息科技在 2015 年推出的一款 WiFi 芯片，這款芯片集成度高、功耗低、使用簡(jiǎn)便，因此在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了肯定，是實(shí)現(xiàn)基于 WiFi 遠(yuǎn)程控制的最好選擇。

它的大小類似于一張標(biāo)準(zhǔn)的SD 卡的尺寸，可以把用戶的物理設(shè)備連接到 Wi-Fi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。使用ESP8266 聯(lián)網(wǎng)設(shè)置時(shí)，通過(guò)管腳的暫時(shí)接地，把它本身當(dāng)作熱點(diǎn)，用手機(jī)smartconfig 軟件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)參數(shù)的寫入，來(lái)實(shí)現(xiàn)wifi連接、網(wǎng)絡(luò)通迅。

圖3

■3.3 使用ESP8266 模塊與物聯(lián)網(wǎng)建立遠(yuǎn)程聯(lián)接

ESP8266 模塊支持softAP 模式、station 模式、softAP+station 三種模式，這里使用 softAP模式，即把 ESP8266 當(dāng)作一個(gè)WiFi 熱點(diǎn)，使用手機(jī)APP Smart Config 軟件將聯(lián)網(wǎng)參數(shù)寫入到ESP8266 芯片，實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程連接。

■3.4 本地報(bào)警處理子程序

當(dāng)心率數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)程序根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的報(bào)警閾值條件，數(shù)字口D6 循環(huán)輸出高低電平，蜂鳴器進(jìn)行雙音報(bào)警。當(dāng)心率數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，D6 輸出低電平，報(bào)警停止，返回正常檢測(cè)。

圖4

4 軟硬件調(diào)試及測(cè)試

■4.1 串口數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)顯示心率曲線

通過(guò)Arduino USB 端口連接到計(jì)算機(jī)，使用可視化圖形軟件Processing 來(lái)顯示心率曲線。

■4.2 與遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)的調(diào)試與測(cè)試

通用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，一般主要提供傳感器數(shù)據(jù)的接入、儲(chǔ)存和輸出等服務(wù)，它為所有的開(kāi)源愛(ài)好者提供一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

圖5

貝殼物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)是一個(gè)能夠讓用戶與智能設(shè)備溝通更方便的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，用戶可以通過(guò)該平臺(tái)查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)際數(shù)值達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，物聯(lián)平臺(tái)就可以通過(guò)APP、郵件、短信、微信等方式通知用戶。

登陸物聯(lián)平臺(tái)，根據(jù)ESP8266 設(shè)備編號(hào)DEVICEID 和設(shè)備密碼APIKEY，添加心率傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備。

■4.3 緊急一鍵呼救功能

當(dāng)老人感到身體不適時(shí)，可以使用一鍵呼救功能進(jìn)行快速報(bào)警。當(dāng)開(kāi)關(guān)被壓下后，數(shù)字口得到高電平，通過(guò)判斷語(yǔ)句使本地蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)向物聯(lián)平臺(tái)發(fā)送某一特定數(shù)值，在物聯(lián)平臺(tái)對(duì)這一特定值的進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警設(shè)置，這樣就可以將報(bào)警呼救信息發(fā)送至親屬的手機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)緊急一鍵呼救功能。

5 使用3D 立體打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作外觀模具

該裝置的外觀采用SketchUp 軟件建模，根據(jù)電路板及內(nèi)置原件的尺寸，建造88mm×62mm×57mm 的長(zhǎng)方體模具。

6 總結(jié)

■6.1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了生命體征參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、遠(yuǎn)程監(jiān)看、一鍵遠(yuǎn)程呼救、云端存儲(chǔ)、分析數(shù)據(jù)、提示報(bào)警、共享數(shù)據(jù)等多種功能。

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)備而言，該系統(tǒng)成本低廉、體積小巧、易于攜帶、云端數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能方便快捷，用戶界面友好，尤其對(duì)于獨(dú)居老人可以進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并對(duì)健康數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（3）該系統(tǒng)支持多平臺(tái)，手機(jī)、平板、計(jì)算機(jī)等均可使用。

（4）該系統(tǒng)兼容性好，當(dāng)有新的傳感設(shè)備加入或者是刪除時(shí)，并不需要再對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置等繁瑣的操作，可快速接入云平臺(tái)，具有良好的擴(kuò)展特性。

該成品有望普及進(jìn)入到大眾家庭，為更多的人提供更多的健康保障。伴隨著社會(huì)的發(fā)展，每個(gè)人都越來(lái)越重視自己的健康，這種設(shè)備必將有用武之處。

■6.2 后期可擴(kuò)展之處

（1）增加血氧飽和度、體溫等傳感器，顯示生命體征數(shù)據(jù)更加完整。

（2）增加小型液晶顯示屏，顯示參數(shù)。

（3）增加語(yǔ)音模塊，對(duì)老人做語(yǔ)音健康提醒。

（4）在裝置內(nèi)增加鋰電池，防止暫時(shí)斷電，影響監(jiān)測(cè)。