人體健康智能監護系統

劉紅 馬天時 沈霆煊

摘 要：傳統以醫院醫療檢測為主的方法已不能滿足人們對健康的需求，因此研發一種新的醫療監護設施勢在必行。文中研究的人體智能健康監護系統可實現對被檢測者血壓、體溫、心率、心音、脈搏等情況的實時監護，設備靈活性好，可擴展性強，便攜、易用，同時可對人體多項生理參數進行收集，從而進行數據的綜合分析與判斷，得出被檢測人的健康狀況。

關鍵詞：監護系統;4G網絡;生理參數;檢測傳輸;可擴展;APP

中圖分類號：TP299文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著人口老齡化進程的加快，人們對自身健康的關注度越來越高。近二三十年醫療體系逐步完善，早先某些疾病如痢疾、鼠疫等傳染病幾乎杜絕。醫療上的主要疾病已從急性傳染病變為慢性病，如高血壓、心臟病、糖尿病和癌癥等疾病的預防與治療后的康復，這些已成為急需解決的問題[1]。世界衛生組織測評得出：世界范圍內慢性疾病的發病率呈上升趨勢，預計到2025年慢性疾病將成為人類失能的首要原因。而醫學研究發現，這些慢性疾病的病發需要經歷一個完整的過程：從處于低危狀態，到中危狀態，再到高危狀態，最后才到病變狀態，最終出現臨床癥狀。在這個有序的過程中，如果能夠對人體各項健康指標進行實時檢測，就有可能提前發現問題并提前進行預警或干涉性治療。基于以上目的，本文研究一種人體健康智能監護系統，以解決此類問題。

1 國內外研究現狀

近年來人體健康監護系統在國內外均有長足的發展[2]，現有系統基本具有監護、分析處理及管理等功能。

1.1 國內的研究與開發現狀

我國醫用監護系統的鼻祖是對心血管疾病的監護。發展到今天，已出現對各種情況的監護系統，如適用于心腦血管、呼吸道、新生兒、婦產科、麻醉、睡眠狀況等方面的監護。

除對應各種疾病的監護儀外，監護系統的連接形式也由單一的有線系統發展為無線可移動系統、網絡系統，可用于床旁、中心監護系統及中心工作站等[3-5]。

1.2 國外的研究與開發現狀

國外開展智能健康監護系統領域的研究較早，并取得了許多優秀成果。例如，GE、西門子、飛利浦等公司相繼推出了多參數監護系統;荷蘭飛利浦基于基站的家庭遠程監護系統;英國公司的家庭遠程醫療監控系統;美國AmerieanTeleeare公司的病人視頻監護系統等[6]。這些系統都應用了目前較先進的計算機技術及通信技術，能夠根據病人需要配置監護參數，實現多參數的實時監護[7]。研究發現，這些系統使用耦合方式將信號調制到音頻，利用電話線進行傳輸，而生理參數模塊經過串口與終端相連接，不便于個人攜帶，整體設備也偏笨重，且設備價格較昂貴，不適用于我國家用醫療環境。

2 人體健康智能監護系統方案

2.1 系統功能需求研究

本文研究的健康監控系統采用4G與藍牙技術，可用于遠程網絡式監護。該系統的設計宗旨是外觀精致，小巧玲瓏，便于攜帶，操作方便、簡潔，檢測準確度高，性價比高等。

本文系統能對被檢測者進行實時監護，包括對心電、心音、脈搏、體溫等各項生理信號的收集、顯示、分析處理與網絡傳輸等。該系統能通過公共網絡實時將數據傳輸到監護中心，以實現遠程監護。同時，監護中心端也可實現包括對被檢測者生理信號數據的接收、顯示、管理與分析處理。

其工作原理為：通過各種生理檢測傳感器及模塊，對所需要監測的人體各項參數指標如血壓、脈搏、體溫、心電及心音等數據進行采集，并將采集到的數據由Internet網絡傳送到遠程醫療中心，由專業醫療人員對采集到的數據進行整理分析，提供檢測者需要的信息反饋與咨詢服務，從而實現智能健康監護。在異樣的生命指征信號出現時，患者本人可采取一些自救措施，同時也可通過遠程通信，將患者狀況通知患者家屬、社區醫生或就近醫院的醫生。醫生通過網絡給患者或其家屬開具簡單的應急醫囑，使患者得到最及時的診斷與救治[8-9]。

2.2 系統總體設計方案

本文系統由傳感器、控制中心、數據通信、醫療中心服務器及APP應用五部分組成，可對人體生理需要檢測的參數進行實時采集與處理。多參數檢測硬件系統由腕帶及附著在腕帶上的監測盒組成，采用雙微處理器，其中MCU-2完成各項生命指征信號的采集與分析，MCU-1完成人機交互與數據通信[8，10]，將生命特征參數與處理結果通過網絡不失真地傳送到醫院數據接收點。醫院服務器智能終端對數據進行分析處理，供主治醫師進一步分析診斷，并將診斷結果與醫囑通過4G網絡發送回患者或監護人。

3 硬件系統設計

3.1 開發板模塊

該系統模塊結構分為三種：CPU及內存相關模塊;時鐘、外設及電源管理相關模塊;無線電通信相關模塊。

開發板CC2540的內核是一個單周期的8051 CPU兼容內核，有SFR，DATA，CODE/XDATA共3個不同的storage訪問總線，工作頻率是以單周期訪問SFR，DATA及主SRAM。開發板CC2540還含括1個調試接口和1個18輸入的擴展中斷單位。中斷控制器有18個中斷源，分為6個中斷組，每組有4個中斷優先級。當設備從休眠模式回到活動模式時，會請求一個中斷服務，其中一些中斷還可從空閑模式喚醒設備。開發板CC2540上的內存仲裁器位于系統中心，經過SFR總線把CPU，DMA控制器，物理存儲器以及所有外部設備連接在一起。開發板CC2540上的時鐘與電源管理工作方式為：1.8 V低差穩壓器給數字內核與外部設備供電，具備電源管理功能，可實現不同的供電模式，以利于延長電池壽命，因此可有5種不同的復位源來復位設備[11]。調試接口執行一個專有的兩線串行接口，用于內電路調試。

輸入輸出I/O控制器管理通用的I/O引腳。CPU可設置外設模塊是否控制某個引腳或是否受軟件控制，若是，則每個引腳要設置為一個輸入或輸出。另外還要考慮是否連接一個下拉或上拉電阻，每個引腳上的CPU中斷都可以使能。為了確保外設在不同應用程序中的靈活性，每個外設都可在兩個不同的I/O引腳位置之間選擇連接哪個引腳。

開發板CC2540上的直接內存可訪問DMA（Direct Memory Access，DMA）控制器，且能訪問所有物理存儲器。每個通道（觸發器、優先級、傳輸模式、尋址模式、源、目標指針及傳輸計數）可用直接內存訪問控制器描述其在存儲器的地方配置。

開發板CC2540上的定時器是16位定時器，具備定時器、計數器及脈沖寬度調制功能，其有可編程分頻器、16位周期值及5個各自可編程的計數器用于捕獲通道。

開發板CC2540上的AES協議處理器帶有128位密鑰的AES算法加密或解密數據，能夠支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee網絡層與應用層需求的高級加密標準AES（Advanced Encryption Standard，AES）操作。

3.2 各類傳感器

3.2.1 心率及脈搏傳感器

本文系統使用的心率傳感器是PulseSensor傳感器，它是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器，將其佩戴于手指、耳垂等處，通過導線連接可將采集到的模擬信號傳輸至Arduino等單片機以轉換為數字信號，再通過Arduino等單片機簡單計算后就可得到心率數值。此外還可將脈搏波形通過串口上傳到電腦顯示，其工作原理如圖1所示[12]。

3.2.2 溫度傳感器

本文系統采用DS18B20溫度傳感器測量體溫，如圖2所示，為便于使用，將DS18B20外部通過不銹鋼探頭進行包裝。

3.2.3 血壓傳感器

本文系統采用ANT-US9116-006-N傳感器測量血壓。該模塊與袖帶連接，通過袖帶獲取人體信息，并將得到的壓力轉換為電壓值，輸出的電壓信號為靜壓力信號與脈搏信號的疊加，利用0.6～6.4 Hz的帶通濾波器將脈搏信號濾出，放大后傳送至單片機，同時也將靜壓力信號傳送至單片機，單片機通過A/D轉換，將采集到的壓力信號量轉換為數字量，再通過特定算法把數字量轉換為可讀血壓值。由于傳感器獲取到的電壓值很小，故使用放大電路，利用Vout引腳輸出放大后的信號，并對此信號進行放大濾波后傳送至單片機進行處理[13]。

4 數據通信及軟件

本文系統數據通信方式除了4G還采用了藍牙方式。藍牙模塊作為智能穿戴設備上的重要通信模塊[14]，配合移動設備，能夠使系統更加智能。

4.1 系統藍牙模塊BT-HC-05

藍牙通信部分主要使用嵌入式藍牙串口通信模塊BT-HC-05作為點對點通信模塊，具有命令應答與自主連接兩種工作模式。其中，自主連接工作模式分為主（Master）、從（Slave）及回環（Loopback）三種角色。當藍牙通信模塊處于自主連接工作模式時，主動按照事先設定的工作方式進行數據傳輸。當模塊處于命令應答工作模式時，接收到AT指令后再進行工作。

4.2 通信模塊連接方案

藍牙模塊與終端連接結構圖如圖3所示。

4.3 APP終端的開發

終端APP軟件采用微信小程序開發，其效果如圖4所示。

進行APP終端開發時，在微信小程序前端頁面加上服務器數據，可直接在微信開發者工具中作為項目打開小程序與服務器進行交互，通過微信原生API接口[15]（網絡API、媒體API、數據存儲API、位置API、設備信息API、界面API及開放API）進行。微信小程序為藍牙提供的藍牙API有多種：初始化藍牙適配器;關閉藍牙模塊，調用該方法將斷開所有已建立的連接并釋放系統資源;獲取本機藍牙適配器狀態;開始搜尋附近的藍牙外圍設備;停止搜尋附近的藍牙外圍設備;獲取所有已發現的藍牙設備，包括已和本機處于連接狀態的設備;獲取藍牙設備所有Service（服務）;往可寫特征寫入數據;打開通知[16]（特征值為notify的特征UUID）。

4.4 APP軟件連接網絡服務器

客戶端的APP要實現各種功能，需與網絡服務器連接，連接網絡服務器則需調用網絡API，普通的HTTPS請求，以及通信、上傳文件、下載文件、發送網絡請求。將本地資源上傳到開發者服務器，客戶端直接發起HTTPGET請求，返回文件的本地臨時路徑。本地文件的臨時路徑在小程序本次啟動期間可正常使用，若有長久保存的需求，則需主動調用wx.saveFile，在使用者下次啟動小程序時才能訪問。客戶端展示如圖5所示。服務器端情況如圖6所示。

4.5 騰訊云服務器的鏈接

騰訊云服務器為微信小程序開發提供了一個通用架構，含有藍牙設備的電子產品可看作一個服務器，其中的相關配置已配置好，而進行網絡連接的云服務器則需自己配置，做好相關配置后，小程序客戶端通過調用API接口訪問服務器URL即可進行相關操作。

5 結 語

本文研發了人體健康智能監控系統，使用4G與藍牙技術，系統硬件模塊由各類傳感器監控模塊、控制中心模塊、信息傳輸模塊、醫療中心服務器與APP應用五部分構成。專用的傳感器模塊可實現對人體各項生理參數指標的檢測與數據收集，然后由遠程醫療服務控制中心對采集到的數據進行醫療判斷，及時將急癥、醫囑及應急方案等信息傳輸到患者手中。

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