霧霾預警及人體健康建議智能穿戴設計

王金龍 齊天 王彩霞

摘 要：為解決人體呼吸頻率檢測多應用于臨床的現狀，文中設計了一種基于STM32F407單片機的可穿戴設備，使用非接觸式方法測量人體呼吸頻率，并通過WiFi/4G網絡實時上傳至云端服務器或移動端設備，結合實時PM2.5指數，對人體健康防護提出預警。被測者只需穿戴該特制背心，便可獲得數據，供醫生和潛在呼吸等疾病患者參考。系統包括硬件設計和軟件設計，數據傳輸效果好，測得數據精度高，運行穩定。

關鍵字：非接觸檢測;呼吸頻率;可穿戴設備;STM32F407;霧霾預警;臨床應用

中圖分類號：TP271文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

隨著近年來我國空氣質量的惡化，霧霾天氣逐漸增多，人體呼吸系統的影響尤為明顯，因此可從測定心率和呼吸頻率這兩個能夠表現人體呼吸系統健康的兩個重要因素著手[1-3]監測人體健康數據。手機的發展已不再是通信終端，還包含了許多生活、工作中必備的功能，用戶對手機依賴度不斷提升。隨著智能手機和手機應用的日漸普及，Android的崛起逐漸呈現出一個動態局面。4G的廣泛存在使得信息服務形成一個以受眾為中心，網絡全方位覆蓋、業務全能力提供、終端全形態呈現的全媒體信息網絡。受眾可在任何時間、地點利用任何終端享有全媒體的信息服務。隨著人們生活水平的提高，健康問題成為人們關注的重點，智能機和高速網絡的大范圍普及成為人們關注健康的最便捷途徑[4-5]。由于Android手機的普遍性越來越強，已有部分廠商開發出類似APP能夠實時顯示PM2.5及天氣指數，也有相關APP可通過攝像頭單獨采集人體心率指數，如天氣通、Heartrate等。一些廠商基于Android平臺開發出相關硬件產品。如小米手環、Jawbone等，它們一般都適用于健康人群的運動指標，如計步、運動卡路里指數消耗和睡眠指數監測等。但兩者并未相互結合，這類智能儀器的最大問題在于其同步并不是無線和實時的，需要通過接口和手機平板之間進行傳輸，并同步數據，才能獲得結果。因此智能手環還不如手機自帶的健康運動應用程序，或專業的卡路里計步器。而APP市場的各種健康軟件，并沒有做到結合人體指標和外界因素做出合理建議，即使蘋果公司推出了iWatch并連接iPhone提供實時監控，也沒做到對不同個體提出個性化建議。本設計將軟件部分和硬件部分相結合，通過硬件部分對人體指標監測，并傳送給APP，并由APP與相關天氣指數相結合，根據用戶個人相關的身體情況，推送出更為合理的健康建議[4]。

1 霧霾對人體健康影響

近些年肺癌的得病率呈很大的上升趨勢， 特別是對于患有呼吸系統疾病的人，霧霾天氣對其影響尤為顯著[5]。霧霾中有毒物質達二十多種，包括酸、堿、鹽、胺酚、塵埃、花粉、螨蟲、結核桿菌、肺炎球菌等，其含量是普通大氣水滴的幾十倍。霧霾中主要對人體造成危害的是PM2.5。PM2.5所含的細微顆粒物可進入細支氣管、肺泡，再通過肺泡壁進入毛細血管，進而進入整個血液循環系統，嚴重危害人體健康。人長期處于霧霾天氣中，可能會引發急性上呼吸道感染等各種呼吸系統疾病。特別是對于患有呼吸系統疾病的人，霧霾天氣對其影響尤為顯著[6]。PM2.5指數對人體健康影響見表1所列。

2 系統設計

本研究針對霧霾天氣進行預警，并能對人們生活和身體健康提出一定的建議。使用Android移動終端下載國家權威部門發布的霧霾PM2.5指數，并實時監測用戶的心率和呼吸等生理指標，將兩者數據綜合，對用戶的身體狀況進行綜合評估，并在此基礎上對用戶的生活和起居給出建議。技術關鍵包括：

（1）對生理指標進行方便實時的采集與傳輸;

（2）建立基于統計大樣本的模糊評價模型;

（3）軟硬件的嵌入與融合。本系統分為軟硬件兩部分，其中軟件為基于Java開發的Android應用;硬件部分為人體呼吸指標監測部分，采用非接觸式測量方式自動獲取數據，濾波處理后的數據經云平臺傳輸到移動端，從而獲取呼吸頻率。該設計適用于中老年及呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監護。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，在家中則需要專人看護。本產品對使用者部分生理指標進行不間斷實時監測，并針對實時霧霾指數提出建議，可部分替代專人看護，具有較好的研究意義。

目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康，因此本研究項目和生產推廣將帶來較高的經濟效益;針對實時天氣指標，特別是PM2.5指標值，對用戶個體進行個性化預警信息預報和推送。同時收集了部分數據，并對相關數據展開了初步分析，通過Android平臺軟件的開發與實現，包括軟件開發測試運行、硬件開發及軟硬件聯機測試、可穿戴式硬件設計制作、MCU程序設計、電路設計和戶穿戴貼身式背心等。

系統流程主要由以下七個部分構成，如圖1所示。硬件端設計智能穿戴用于采集人體呼吸頻率數據，并通過云端接口將數據傳送給手機端，同時手機端通過攝像頭采集人體心跳頻率數據，并調取中國氣象網接口請求本地實時PM2.5數據后，將三個數據進行匯總，進行統計分析，對比數據庫，匹配合理健康建議，最終通過手機端APP推送給用戶。

3 硬件設計

硬件設計分為兩部分：一部分是傳感器設計，用于采集人體呼吸頻率指標;另一部分是云平臺搭建。硬件部分使用STM32F407系列單片機，該款芯片具體參數等已在文章《基于STM32單片機激光壓制追捕系統設計》中有詳細介紹，云平臺的搭建采用在STM32單片機外設接WiFi模塊，使用慶科基帶移植，機智云平臺數據傳輸，經專用API接口傳輸至Android手機APP中[7-8]。

傳感器部分采用平板電容器模型：

式中：C為電容，ξ為電容率，S為極板正對面積，d為平板垂直距離。人體呼吸過程中由于胸腔內人體器官組織在呼氣和吸氣過程中的變化，會引起電容率ξ的變化，從而使電容C改變。因此只要檢測出電容C的變化，便可得到人體呼吸頻率，呼吸頻率測量傳感器模型如圖2所示。

測量電容C電路采用ne555芯片構成多諧振蕩器，電路如圖3所示。通過多諧振蕩電路觸發脈沖接入STM32單片機得到電容充放電時間，再通過計算可得到電容大小變化[9-12]。

實驗室數據測試階段使用示波器觀察到的波形圖如圖4所示，該波形經Matlab處理后的數據如圖5所示。該波形是分別測得的三組人體呼吸數據，可表示人體呼吸頻率曲線，實驗證明該設備可收集到準確的數據。

最后通過串口程序，經WiFi傳輸至云端，便可實現呼吸頻率采集工作。

4 成品圖

實驗室成品圖測試和可穿戴成品圖分別如圖6和7所示。實驗室測試階段采用金屬極板作為點擊測試，成品階段使用弱性導電防輻射布料作為電極，測試效果均達到理想效果。

5 結 語

本設計最重要的創新點是將硬件與軟件相結合，使用戶在使用過程中能與自身相結合，更適合個人應用，符合目前的物聯網潮流。即有硬件收集個人數據并傳輸給軟件段進行處理，用戶能方便地獲取信息。

該產品適用于中老年及患有呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監護。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，而在家中則需要專人看護。本產品對使用者部分生理指標進行監測，并針對實時霧霾指數提出建議，可部分替代專人的看護，同時目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康，具有重要的現實意義。

參 考 文 獻

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