基于藍牙和智能手機的人體多生理參數無線監測系統

周開利　張偉　王旭

摘 要：針對傳統醫療監護手段難以對患者進行遠程實時監護的問題，基于藍牙和智能手機設計了一種人體多生理參數無線監測系統，通過可穿戴智能感知節點，對患者體溫、脈搏等多種生理參數進行采集和分析處理，然后以藍牙方式無線傳輸至患者的智能手機，再通過3G將數據上傳到指定服務器。通過設計相應的應用軟件，監護人員使用手機、PC等智能終端即可實現對患者多種生理參數的遠程無線監測、異常情況報警、查詢歷史數據等功能，大大提高醫療監護水平。

關鍵詞：醫療監護；生理參數；智能手機；藍牙

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-03

0 引 言

隨著人類平均年齡的升高和老齡化速度的加快，慢性疾病發病人數大量增長，現代醫療的重心已逐步由原來的治療為主轉為預防、病后監護恢復為主，這就需要對患者在遠離醫院的家居或者戶外環境中進行實時監護，以便在出現異常情況時能夠得到及時救護和治療，而傳統的醫療監護手段難以滿足這一需求。隨著科學技術的發展，對患者進行遠程實時監護成為可能[1-4]。

遠程監護的關鍵是對患者多種生理參數的監測，在對監測數據進行分析的基礎上，才能采取相應的救護與治療措施。本文基于藍牙和智能手機，設計了一種人體多生理參數無線監測系統，通過可穿戴智能感知節點，對患者體溫、血壓等多種生理參數進行采集和分析處理，然后以藍牙方式無線傳輸給患者攜帶的智能手機。采集的數據通過3G上傳到指定服務器。監護人員可以使用手機或PC客戶端應用軟件，從服務器獲取監測數據，實時監測患者的生理參數，在患者生理狀況異常時獲得報警信號，查詢監測數據的歷史記錄等[5-7]。

1 系統組成及工作原理

系統組成框圖如圖1所示。該系統由智能感知模塊、傳輸網絡和監護終端三部分組成。

（1）智能感知模塊：由n個感知節點和智能手機組成。各感知節點設置成從節點，患者智能終端（手機）采用輪詢的方式，獲取從各感知節點采集的多種人體生理參數，再傳輸給服務器。

（2）傳輸網絡：患者智能終端通過3G接入Internet將監測數據上傳到服務器，監護人員可以使用智能終端設備（智能手機、筆記本電腦、PC等），通過3G、LAN、WiFi等多種方式上網，獲取存儲在服務器上的監測數據。

（3）監護終端：監護終端可以是智能手機、筆記本電腦、PC等智能終端設備，通過設計相應的客戶端應用程序，獲取和利用患者生理參數監測數據。

圖1 系統組成框圖

2 智能感知模塊設計

本系統的關鍵在于可穿戴智能感知節點的設計，在硬件設計方面需要合理選用各種器件、精心設計PCB，以滿足體積小、重量輕、能耗低、精度高、易穿戴等基本設計要求。除此之外，在軟件方面需要研究數據處理的優化算法，以進一步降低能耗、提高采集數據的精度。

2.1 傳感器與佩戴方式選擇

根據患者需要監護的生理參數，可以選擇脈搏、心電、體溫、呼吸、血壓、血氧、血糖等多種傳感器，針對不同傳感器測量的要求，確定不同的佩戴方式。目前，實時移動檢測血壓、血糖等生理參數的傳感器尚不成熟，本文僅以脈搏、體溫、心電檢測為例進行設計。

（1）脈搏傳感器

脈搏采集選用CJMCU-pulse sensor傳感器，該傳感器采用光電容積法——利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同來進行脈搏測量，它只有電源、地和信號三根引線，體積超小，可以采用圖2（a）所示方法，將脈搏傳感器用綁帶纏繞在手指上（或設計成指套），三根導線連接在智能感知模塊的主板上，主板可以與手環設計于一體進行佩戴。

（2）體溫傳感器

體溫采集選用ZMD TSic506F單線數字高精度溫度傳感器，該傳感器測溫范圍為-10°C～60°C，分辨率為0.1°C，在40°C范圍內精度為±0.1°C，滿足人體體溫測量的需要。它也有電源、地和信號三根引線，體積超小，可以將溫度傳感器與體溫感知節點進行一體化設計，采用圖2（b）所示方法，將體溫感知節點做成臂帶纏繞在手臂上，使溫度傳感器置于腋下，進行體溫的精確測量。

（3）心電傳感器

心電采集選用BMD101微型心電傳感器，該傳感器可使用兩個金屬干性電極直接進行心電信號采集，僅有電源、地和兩個電極四根引線，具有藍牙傳輸功能，采用圖2（c）所示佩戴方式，將兩個電極和主板安裝于胸帶的合適位置，使用時收緊胸帶，使兩個電極能夠很好地接觸皮膚。

（a）脈搏感知節點 （b）體溫感知節點 （c）心電感知節點

及佩戴方式 及佩戴方式 及佩戴方式

圖2 智能感知節點及佩戴方式

2.2 感知節點硬件設計

感知節點組成框圖如圖3所示，由生理參數傳感器、單片機和藍牙模塊組成，其中，藍牙模塊需要設置成從模塊。

以脈搏智能感知節點為例，其硬件電路如圖4所示。脈搏傳感器CJMCU-pulse sensor的信號線直接連接到單片機的IO口（P1.0）。

單片機型號為STC12C5A60S2，是感知節點的主控芯片，選用LQFP44封裝以減小體積。STC12C5A60S2是單時鐘/機器周期的單片機，具有高速、低功耗、超抗干擾的優勢，包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART串口、I/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊，幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，滿足智能感知節點的設計要求。

圖3 感知節點組成框圖

藍牙模塊采用智能無線數據傳輸BLK-MD-HC-05模塊，該模塊采用英國CSR公司BlueCore4-Ext芯片，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，并支持SPP藍牙串口協議，具有成本低、體積小、功耗低、收發靈敏性高等優點。

2.3 感知節點軟件設計

感知節點軟件設計流程圖如圖5所示。上電工作后，先進行初始化，將感知節點設置為從節點，設置感知節點名稱、密碼、波特率等，然后實時采集所監測的生理參數數據，按一定算法處理后進行存儲，當接到患者智能手機的連接請求后，將所存儲數據傳輸給手機，傳輸完畢后關閉與手機的連接，繼續采集數據，進行處理和存儲，等待下一次手機的連接請求。

3 患者智能終端軟件設計

患者智能終端負責接收各感知節點采集的數據，并負責將它們上傳到服務器，其程序流程圖如圖6所示。應用程序啟動后，首先連接第一個從節點，接收其采集數據并存儲；然后，關閉該節點，連接下一個從節點，接收下一個從節點采集的數據并存儲，直至所有感知節點都被輪詢一次后，將本輪獲取的各感知節點數據一起傳輸給服務器，然后進行下一輪數據傳輸。每一輪中，若所有節點連接不上，則提示用戶開啟各從節點，重新連接或退出程序。

4 應用軟件設計

限于篇幅，本文重點討論多生理參數的采集與傳輸問題，但為了驗證采集數據的有效性，針對監護人員手持智能終端進行簡單應用軟件的設計，其功能結構如圖7所示。

圖5 感知節點程序流程圖 圖6 患者智能終端程序流程圖

用戶進入實時監測模塊時，各感知節點采集的體溫、脈搏數據等通過患者智能手機傳輸到服務器，通過服務器實時轉發給監護人員手機進行顯示，從而實現實時監測，同時，監測數據可以存儲于服務器數據庫中。當用戶進入歷史記錄模塊時，可以輸入查詢的起止時間，對采集的歷史數據進行查詢，也可以對指定時間段的歷史數據進行刪除。

監護人員智能終端實時監測界面如圖8所示。

圖7 監護智能終端功能結構圖 圖8 智能終端實時監測界面

5 結 語

本文介紹了基于藍牙和智能手機的人體多生理參數無線監測系統的實現過程，系統以穿戴式生理參數智能感知節點和手持智能終端為核心，可以很方便地對人體多生理參數進行實時遠程監測。監測數據還可以上傳至服務器，通過設計相應的應用系統，構成遠程醫療監護系統，可大大提高醫護效率，降低醫療費用。

參考文獻

[1]衛安樂，劉國忠，呂乃光，等.基于ADSL家庭遠程醫療監護系統[J].醫療設備信息，2007，22（5）：16-18.

[2]劉尚輝，馬瑾.家庭遠程醫療監護系統的發展及應用[J].中國全科醫學，2012，15（5A）：1542，1544.

[3]曾繩濤，曹志龍.基于物聯網的智能移動醫療動態監護系統[J].工業控制計算機，2014，27（6）：26-27.

[4]何國平，章笠中，何前鋒.智慧醫療及醫療物聯網應用概述[J].電信網技術，2013（8）：19-26.

[5]馬淼.物聯網模式下如何實現智能醫療[J].醫學信息學雜志，2012，33（4）：8-11.

[6]薛青.智慧醫療：物聯網在醫療衛生領域的應用[J].信息化建設，2010（5）：56-57.

[7]梁瑞.物聯網在智慧醫療系統建設中的應用思考[J].電腦知識與技術，2012，8（2）：303-305.