摘 要：在我國，醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀的使用是從心血管疾病的監(jiān)護(hù)開始的。時至今日，醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀會針對病人的不同情況，根據(jù)其多方面的需求進(jìn)行監(jiān)護(hù)，以應(yīng)對各種疾病，實現(xiàn)了從單一學(xué)科向多病種、多科室、多學(xué)科應(yīng)用的跨越。近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這些監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也在朝著無線可移動方向發(fā)展。文中以STM32單片機(jī)為主控芯片，集成了體溫計、心電信號記錄儀和血氧濃度檢測儀的大部分功能，并將采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸至上位機(jī)，可為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員對病人和家屬對病人的無接觸全時段監(jiān)測，并能在出現(xiàn)異常時第一時間進(jìn)行預(yù)警。

關(guān)鍵詞：STM32；ZigBee；ADS1292；心電信號；血氧濃度；環(huán)境數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP277；TH789 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)變得更加安全可靠，同時也給人們的生活帶來了便利。在醫(yī)療監(jiān)控方面，通過無線互聯(lián)實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)匯總可大大減少醫(yī)務(wù)人員的工作量，同時通過實時監(jiān)控報警也可及時反饋報警情況。

目前，隨著ZigBee的應(yīng)用和發(fā)展，其在智能機(jī)器、智慧農(nóng)業(yè)、數(shù)據(jù)采集、安防產(chǎn)品、無線遙控和工業(yè)控制等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[1-3]，可見其已具有很高的可靠性?，F(xiàn)基于該通信技術(shù)開發(fā)一款醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)對病人心電信號、血氧濃度、體溫和所處環(huán)境相關(guān)情況的采集監(jiān)控。該設(shè)備通過一個總機(jī)收集多個子機(jī)的監(jiān)控信息，并匯總發(fā)送到上位機(jī)，醫(yī)護(hù)人員只需觀察上位機(jī)即可對多個病人的情況進(jìn)行監(jiān)控，同時帶有報警功能，可以根據(jù)病人的情況更改報警閾值。對環(huán)境信息的采集是一種輔助功能，醫(yī)生可以根據(jù)環(huán)境情況判斷該環(huán)境是否適合病人居住休養(yǎng)[4-6]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 總體硬件方案設(shè)計

硬件系統(tǒng)如圖1所示，以STM32單片機(jī)為系統(tǒng)MCU，搭配電源系統(tǒng)、OLED顯示屏、蜂鳴器、LED燈、DHT11環(huán)境溫濕度傳感器、TG2600空氣質(zhì)量傳感器、MAX30102血氧濃度傳感器、SPY31-B紅外測溫模組、ADS1292前端采集和ZigBee通信模塊等[7-8]。

1.2 總體軟件方案設(shè)計

軟件系統(tǒng)如圖2所示，其由采集監(jiān)控MCU程序、總機(jī)MCU收發(fā)程序和上位機(jī)接收處理程序三大部分構(gòu)成。采集監(jiān)控MCU負(fù)責(zé)采集病人的心電、血氧等數(shù)據(jù)，其主要部分包括前端采集模塊的驅(qū)動、血氧濃度采集模塊的驅(qū)動、ZigBee模塊的通信、OLED交互顯示屏的驅(qū)動等；總機(jī)MCU收發(fā)程序主要負(fù)責(zé)處理不同采集監(jiān)控MCU發(fā)來的信息，主要部分是ZigBee模塊的通信、采集監(jiān)控模塊和上位機(jī)操作模塊間的通信；上位機(jī)接收處理程序負(fù)責(zé)處理總機(jī)MCU發(fā)過來的數(shù)據(jù)和下發(fā)操作人員對上位機(jī)功能的操作指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的整體硬件部分包括主從機(jī)的主控芯片、電源部分、心電信號采集芯片、血氧濃度傳感器、ZigBee通信、CH340串口通信轉(zhuǎn)換電路、空氣質(zhì)量傳感器、OLED彩色屏幕驅(qū)動、DHT11溫濕度傳感器和蜂鳴器等。

2.1 主從機(jī)的主控芯片

采集端的微控制器采用了STM32F103RCT6芯片，內(nèi)部集成了ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率高達(dá)72 MHz，具有高性能和低功耗的特點(diǎn)。該微控制器具有128 KB的FLASH存儲器和20 KB的SRAM，可提供足夠的存儲空間；支持多種通信接口，包括USART、SPI、I2C和CAN等；具備多種定時器和計數(shù)器，包括通用定時器、高級控制定時器和基本定時器等，適用于各種實時應(yīng)用；集成了多個模擬和數(shù)字外設(shè)，包括ADC、DAC、PWM和GPIO等，可滿足各種應(yīng)用需求。由于其擁有高性能和豐富的外設(shè)集成，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括工業(yè)控制、自動化設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子和通信設(shè)備等。STM32F103RCT6的低功耗特性和豐富的通信接口使其在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。

總機(jī)的微控制器采用了STM32F103C8T6芯片，相比于采集端的主控，其引腳數(shù)少，內(nèi)存小，價格低。因為作為總機(jī)主要是負(fù)責(zé)通信和數(shù)據(jù)處理，不需要驅(qū)動太多外設(shè)，足以實現(xiàn)需要的功能。

2.2 電源部分

電源輸入端可接收標(biāo)準(zhǔn)的Type-C接口提供的5 V電源，給前端采集芯片ADS1292供電。5 V輸入電壓通過LDO轉(zhuǎn)換輸出3.3 V，給單片機(jī)和其他外設(shè)供電。電源芯片采用了AMS1117-3.3降壓芯片，AMS1117-3.3是一種線性穩(wěn)壓器，能夠?qū)⑤斎腚妷航档?.3 V并穩(wěn)定輸出。它具有低壓差特性，在輸入電壓與輸出電壓之間的差異較??；具備過熱保護(hù)功能，當(dāng)芯片溫度超過一定閾值時，會自動關(guān)閉以保護(hù)芯片；支持較大的負(fù)載電流，通常能夠提供最高1 A的連續(xù)輸出電流。

2.3 心電信號采集芯片

心電信號采集通過ADS1292實現(xiàn)。ADS1292是德州儀器（Texas Instruments）推出的一款生物電信號測量芯片，專門用于心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）等生物電信號的采集和處理。ADS1292是一款雙通道生物電信號測量芯片，可同時采集兩路生物電信號。它具有高精度的模擬前端，用于采集和放大微弱的生物電信號；支持多種采樣率和數(shù)據(jù)輸出格式，以滿足不同應(yīng)用需求；內(nèi)置24位的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可實現(xiàn)高精度的信號轉(zhuǎn)換；具備低功耗特性，適合移動和便攜式應(yīng)用。其主要用于醫(yī)療和健康監(jiān)測領(lǐng)域，特別是在心電圖和腦電圖的測量和分析中。但其只是一款芯片，需要結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬娐泛蛙浖硗瓿赏暾腅CG或EEG系統(tǒng)設(shè)計。這里參考了德州儀器的相關(guān)技術(shù)文檔，配置了低通濾波器，實現(xiàn)了模擬電路和數(shù)字電路的供電分隔，完成了相關(guān)功能引腳的配置等。

2.4 血氧濃度傳感器

血氧濃度傳感器采用的是MAX30102，集成了紅外LED、可見光LED和光學(xué)傳感器，可用于非侵入性地監(jiān)測心率和血氧飽和度。它具有高度集成的模塊化設(shè)計，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)字濾波器和數(shù)據(jù)處理引擎，可實現(xiàn)精確的生物信號測量和處理；支持可編程的采樣率和分辨率，以適應(yīng)不同應(yīng)用需求；具備低功耗特性，適用于移動和便攜式設(shè)備；提供靈活的接口選項，包括I2C和SPI，方便與微控制器或其他設(shè)備進(jìn)行通信，這里采用I2C通信。

2.5 ZigBee通信

E18-MS1PA1是一種由Ebyte推出的無線傳輸模塊。E18-MS1PA1模塊基于射頻芯片nRF24L01+，這款nRF24L01+芯片支持2.4 GHz的IEEE 802.15.4協(xié)議，這是ZigBee通信所采用的一種通信協(xié)議，具備較遠(yuǎn)的傳輸距離和穩(wěn)定的通信性能。

該模塊支持高達(dá)2 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以提供可調(diào)節(jié)的輸出功率，以滿足不同應(yīng)用需求，且具備良好的抗干擾能力和低功耗特性。

2.6 CH340串口通信轉(zhuǎn)換電路

CH340是一款USB轉(zhuǎn)UART（串口）芯片，由中國廠商江蘇沁恒公司生產(chǎn)。它是一種低成本、高性能的USB轉(zhuǎn)UART芯片，用于將USB接口轉(zhuǎn)換為UART串口接口。支持全速USB通信，即12 Mb/s的傳輸速率。具備自動流控制和自動功耗管理功能，以提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。支持多種數(shù)據(jù)格式和波特率，適用于各種串口通信需求。提供多種接口選項，包括USB Type-A、USB Type-C和DIP封裝等。這里使用的接口是USB Type-C，搭配的外部晶振是12 MHz。

2.7 空氣質(zhì)量傳感器

選用由菲加羅工程公司生產(chǎn)的TGS2600氣體傳感器。它是一種半導(dǎo)體氣體傳感器，基于電化學(xué)原理，用于檢測空氣中的特定氣體體積分?jǐn)?shù)。它可以檢測多種氣體，包括甲醛、乙醛、丙酮、酒精等有機(jī)溶劑氣體。它具備快速響應(yīng)和高靈敏度，能夠?qū)崟r檢測氣體體積分?jǐn)?shù)變化。傳感器輸出的電阻值與被檢測氣體的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，可通過測量電阻值來估算氣體體積分?jǐn)?shù)。

2.8 OLED彩色屏幕驅(qū)動

屏幕尺寸是1.8英寸的液晶彩色屏幕，采用SPI通信協(xié)議，驅(qū)動芯片是ST7735，由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)。ST7735是一種高度集成的顯示控制器，專為彩色TFT LCD顯示屏設(shè)計。它支持SPI（串行外設(shè)接口）通信協(xié)議，通過SPI總線與主控制器進(jìn)行通信。支持多種分辨率和色彩模式，包括RGB 565、RGB 666和RGB 888等。具備內(nèi)置圖形加速器，可以實現(xiàn)快速的圖形渲染和顯示。支持多種顯示模式和特性，如水平/垂直滾動、局部顯示、睡眠模式等。

2.9 DHT11溫濕度傳感器和蜂鳴器

環(huán)境溫濕度采集選用的是DHT11，它是一種低成本、易于使用的數(shù)字溫濕度傳感器，由溫濕度傳感器和數(shù)字信號處理芯片組成。它采用單一總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過單一的數(shù)字引腳與主控制器進(jìn)行通信?？梢詼y量的溫度范圍為0～ 50 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH。輸出數(shù)據(jù)的精度為±2 ℃（溫度）和±5%RH（濕度）。

由于擔(dān)心STM32的驅(qū)動電流過小，無法使蜂鳴器工作，這里采用三極管來驅(qū)動，通過控制GPIO引腳的電平來控制三極管的開關(guān)狀態(tài)，從而驅(qū)動蜂鳴器工作。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 采集監(jiān)控MCU程序

采集監(jiān)控MCU程序框圖如圖3所示。首先，硬件系統(tǒng)上電啟動，對時鐘進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時鐘的配置及各外設(shè)和I/O口時鐘的開啟。再對各外設(shè)進(jìn)行初始化和模式的配置，包括硬件SPI、模擬I2C、ADC等的初始化，按鍵和LED的I/O口配置等。在初始化完成后，開始驅(qū)動OLED彩色液晶屏，進(jìn)行初始信息顯示。之后判斷環(huán)境測量功能是否開啟，如果開啟就先驅(qū)動TGS2600和DHT11獲取環(huán)境的溫濕度和空氣質(zhì)量；如果沒有開啟就不驅(qū)動這兩個模塊。接著進(jìn)行人體心電信號、血氧濃度和體溫的采集。采集完成后對數(shù)值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，如果有異常則蜂鳴器鳴響，報警LED閃爍。最后匯總信息發(fā)送至總機(jī)，更新屏幕顯示。如此循環(huán)實現(xiàn)對相關(guān)信息的實時測量。

3.1.1 STM32時鐘初始化

因為是使用HAL庫對STM32進(jìn)行編程開發(fā)，所以首先要在CubeMX這個軟件上進(jìn)行時鐘樹的配置：時鐘源選擇外部晶體振蕩器（HSE），HSE倍頻設(shè)為72 MHz，采用默認(rèn)的時鐘分頻器的配置。STM32 HAL庫的時鐘配置功能是配置和管理系統(tǒng)時鐘和外設(shè)時鐘的關(guān)鍵工具。它能提供多種系統(tǒng)時鐘源選項、控制系統(tǒng)時鐘頻率、配置外設(shè)時鐘源、確保時鐘的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[9]。

3.1.2 STM32外設(shè)初始化

由于TGS2600傳感器輸出的是電壓信號，所以通過單片機(jī)的ADC外設(shè)進(jìn)行采集。STM32的ADC外設(shè)初始化的步驟包括選擇ADC時鐘源、設(shè)置ADC時鐘分頻器以獲得適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾省⑦x擇要使用的ADC通道、設(shè)置每個通道的采樣時間、選擇轉(zhuǎn)換模式等。通過這些步驟完成了對ADC外設(shè)的初始化，以確保其能夠在應(yīng)用中正常運(yùn)行并提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

接著是SPI外設(shè)的初始化。STM32的串行外設(shè)接口（SPI）的初始化包括配置SPI時鐘源和分頻系數(shù)、選擇SPI的工作模式、設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式、配置NSS引腳的模式和電平極性、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速度以及可選擇地配置中斷和DMA通道。

血氧濃度的測量是通過I2C通信實現(xiàn)的，而STM32的I2C外設(shè)初始化包括配置I2C時鐘源和分頻系數(shù)、選擇工作模式（主模式或從模式）、設(shè)置I2C地址、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸速度、可選擇地配置中斷和DMA通道、配置電氣特性以及可選擇地配置時鐘拉伸功能。

其他普通外設(shè)（LED、按鍵、蜂鳴器等）初始化較為簡單，STM32的普通I/O口初始化包括配置引腳模式、引腳類型、引腳速度、引腳上下拉電阻等。

3.2 總機(jī)MCU收發(fā)程序

該程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，接收各個ZigBee子模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給電腦。

3.3 上位機(jī)接收處理程序

該程序負(fù)責(zé)將總機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。這里利用了C#語言搭建上位機(jī)，簡易顯示了各子模塊的數(shù)據(jù)，并可以修改報警值[10-11]。

4 結(jié)果測試

系統(tǒng)測試結(jié)果：心電圖顯示正常，且能反饋心率；環(huán)境溫濕度和體溫采集正常；血氧濃度測量結(jié)果與智能手環(huán)的監(jiān)測結(jié)果相差不大；空氣質(zhì)量數(shù)值正常；各個模塊通信傳輸正常；上位機(jī)接收顯示正常；邏輯功能驗證正常。綜上，以上基本功能均在產(chǎn)品上得到實現(xiàn)。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款基于ZigBee通信的醫(yī)療系統(tǒng)，重點(diǎn)對通信配置、心電血氧信號和環(huán)境數(shù)據(jù)采集等功能進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了無線傳感器與醫(yī)療設(shè)備之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸和通信。

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