摘 要：心率、血氧和體溫都是人體重要的生理信息，設(shè)計(jì)出體積小和便攜式的系統(tǒng)測(cè)量裝置，將會(huì)有較大的社會(huì)和臨床經(jīng)濟(jì)效益。嘗試以STM32F103C8T6為控制器，設(shè)計(jì)一種便攜監(jiān)測(cè)設(shè)備。通過(guò)MAX30102、GY-MCU90615模塊采集心率血氧及體溫?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Android智能機(jī)解析顯示，實(shí)現(xiàn)了基于Android系統(tǒng)的心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

　　關(guān)鍵詞：心率血氧檢測(cè); 體溫檢測(cè); STM32F103C8T6; Android;藍(lán)牙通訊

　　心率和血氧飽和度是人體重要的生理指標(biāo)[1]，反映了人體的健康狀況。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，智能健康佩戴設(shè)備普及度大幅提升[2-5]。薛俊偉等人設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的可穿戴血氧飽和度監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠連續(xù)檢測(cè)人體血氧飽和度和脈率[6]，具有低功耗和可穿戴等特點(diǎn)，但是當(dāng)模擬儀輸出血氧飽和度低于75%時(shí)，設(shè)備的檢測(cè)精度受到影響。張政豐等人針對(duì)現(xiàn)有可穿戴設(shè)備的心率檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同活動(dòng)狀態(tài)下人體的心率變化很大，但是沒(méi)有給出相應(yīng)的App程序進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)[7]。

　　徐盼盼等人介紹了一種基于TI公司 AFE4400集成芯片的血氧模擬采集電路，他們的研究主要是簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)、降低了系統(tǒng)功耗和減小了電路尺寸，提高硬件的便攜性，但在整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)操作開(kāi)發(fā)方面略顯不足[8]。隨著網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，一些具有檢測(cè)人體生理參數(shù)功能的產(chǎn)品也在向可穿戴和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方向發(fā)展。如小米公司的可穿戴產(chǎn)品“小米手環(huán)”，可以提供高精準(zhǔn)的心率、睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè);國(guó)內(nèi)一些廠家生產(chǎn)的低成本指夾儀，可以進(jìn)行血氧飽和度和心率的檢測(cè)，并通過(guò)OLED屏顯示數(shù)據(jù)。

　　筆者設(shè)計(jì)的基于Android系統(tǒng)的心率、血氧、體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有便攜、低功耗、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。該系統(tǒng)由硬件端和軟件端兩部分組成。硬件端由傳感器模塊，藍(lán)牙通信模塊，STM32核心電路以及電源穩(wěn)壓電路組成。傳感器模塊由MAX30102心率血氧模塊和GY-MCU90615紅外測(cè)溫模塊組成，它將采集完成的數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至安卓端，解析數(shù)據(jù)并顯示在界面上。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　設(shè)備成品可以幫助用戶(hù)隨時(shí)隨地較為準(zhǔn)確地測(cè)量其身體的血氧飽和度、心率等生理指標(biāo)，從而更好地掌握自己的身體狀況。從醫(yī)學(xué)上分析，血氧飽和度和心率兩項(xiàng)生理指標(biāo)作為醫(yī)院診治的重要數(shù)據(jù)，血氧飽和度在95及以上為正常指標(biāo)，心率在每分鐘60～100之間為正常指標(biāo)。當(dāng)用戶(hù)在不同時(shí)間段多次測(cè)量結(jié)果均不符合上述兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)，表明身體有異樣，建議就醫(yī)詳查。

　　1 檢測(cè)原理

　　1.1 心率血氧檢測(cè)原理

　　光電容積法作為監(jiān)護(hù)測(cè)量中最常見(jiàn)的手段，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn)，其基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的透光率差異來(lái)進(jìn)行心率和血氧飽和度的測(cè)量，所使用的傳感器由光源和光電變換器[9-11]兩部分組成，通過(guò)綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧合血紅蛋白(HbO2)和血紅蛋白(Hb)有選擇性的特定波長(zhǎng)的發(fā)光二極管(一般選用660 nm附近的紅光和940 nm附近的紅外光)[12]。當(dāng)光束透過(guò)人體外周血管，由于動(dòng)脈搏動(dòng)造成血容積變化致使透光率發(fā)生改變，此時(shí)由光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。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)變化周期就是脈搏率。同時(shí)，根據(jù)血氧飽和度(SaO2)的定義，其表達(dá)為：

　　1.2 體溫檢測(cè)原理

　　紅外測(cè)溫廣泛應(yīng)用于非接觸式溫度測(cè)量設(shè)備[13]，其原理是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，紅外線輻射能的大小與物體自身的溫度相對(duì)應(yīng)，根據(jù)所轉(zhuǎn)變的電信號(hào)值來(lái)確定被測(cè)體溫度。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 信號(hào)采集模塊

　　如圖3(a)，Maxim公司生產(chǎn)的MAX30102是一種高靈敏度血氧和心率生物傳感器[14]。其集成了LED及驅(qū)動(dòng)，光感應(yīng)及AD轉(zhuǎn)換，環(huán)境光干擾消除及數(shù)字濾波部分，只留有數(shù)字接口，極大地減輕了開(kāi)發(fā)者的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

　　如圖3(b)，GY-MCU90615是一種低成本紅外溫度模塊，具有低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是通過(guò)單片機(jī)讀取紅外溫度數(shù)據(jù)，串口通信方式輸出。采集模塊的電路連接如圖4所示。

　　2.2 藍(lán)牙模塊

　　HC-05是一款高性能主從一體的藍(lán)牙模塊，可直接作串口使用。實(shí)物與電路連接見(jiàn)圖5。

　　2.3 電源電路

　　在后續(xù)電路設(shè)計(jì)中，考慮到供電電池的電壓在3.7 V附近，選用TPS7333芯片穩(wěn)壓，該芯片壓差在0.3～0.4 V內(nèi)，較為穩(wěn)定。電源電路見(jiàn)圖6 。

　　2.4 主控芯片電路

　　STM32核心電路主要包括4個(gè)部分：(1) 復(fù)位電路;(2) 晶振電路;(3) 串口下載;(4) I/O口。

　　STM32外接了兩個(gè)晶振為其內(nèi)部系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。一個(gè)8 M的高速外部時(shí)鐘(HSE)，為系統(tǒng)提供較精確的主頻;另一個(gè)是32.768 M的低速外部時(shí)鐘(LSE)，用于提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘功能。系統(tǒng)核心板具體原理圖如圖7所示。

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