一種智能化人體健康信息監(jiān)測與交互系統(tǒng)設(shè)計*

劉 丹，王羽徵，畢 海，程 遠

(1.大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116000；2.中控智慧股份有限公司，遼寧 大連 116000；3.近海(大連)生態(tài)發(fā)展有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引言

當(dāng)今，社會生活等各方面壓力易對人的身體健康造成不良影響，忙碌的生活使得大多數(shù)人沒有時間經(jīng)常體檢，從而為染上惡性病癥埋下較大隱患。因此，自助式的便攜生理信息監(jiān)測設(shè)備毫無疑問是當(dāng)今社會忙碌生活所必需的自我體檢設(shè)備。體積小巧的便攜式生理信息監(jiān)測設(shè)備可以實時、方便地獲得體溫和心率等關(guān)鍵生理信息，并通過附帶的自檢網(wǎng)址進行結(jié)果分析，實現(xiàn)便捷的關(guān)鍵信息檢查，不僅節(jié)約了人力物力，還呵護了人們的健康，普及醫(yī)學(xué)常識。

國外相關(guān)機構(gòu)對于生理信息監(jiān)測的研究多是基于物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)化(The Architecture of the Internet of Things)進行健康監(jiān)測分析[1]，以及基于手機APP的C/S健康監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)，信息傳輸主要采用近場無線傳輸(Short-range Wireless Transmission)技術(shù)，涉及無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks WLAN)、ZigBee技術(shù)、藍牙傳輸(Bluetooth Data Transmission)等，多是遠程控制和可穿戴設(shè)備的結(jié)合[2-3]。國內(nèi)則是商業(yè)化的產(chǎn)品較多，例如實時便攜式血糖儀、紅外感應(yīng)溫度計等。國內(nèi)大多數(shù)健康監(jiān)測儀器多有界面復(fù)雜、測量不精確、難以修理等突出問題，因此本設(shè)計注意精簡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理選擇元器件并設(shè)計簡潔的操作界面。本設(shè)計通過溫度傳感器(例如熱敏電阻、測溫棒等)和心率采集器(例如光電門、紅外發(fā)射接收器等)采集生理信號，經(jīng)過濾波放大后交給控制中樞分析結(jié)果并反饋給用戶，用戶再根據(jù)提示進入醫(yī)療網(wǎng)站獲取更多相關(guān)信息。

1 監(jiān)測與交互系統(tǒng)原理

采用低成本、微體積的單片機，利用光電傳感器(optical sensor)和溫度傳感器(temperature sensor)收集心率和體溫信息，經(jīng)過濾波放大電路，送到開發(fā)板主控芯片中，再由開發(fā)板控制GSM模塊給用戶的手機發(fā)送信息，信息內(nèi)容包括體溫和心率數(shù)據(jù)以及附加的自檢網(wǎng)址。這種交互式的一站式設(shè)計能顯著改善用戶體驗。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 智能化人體健康信息監(jiān)測與交互系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)中，溫度傳感器采用DS18B20，心率傳感器則使用ST188紅外對管，GSM模塊選擇常用的SIM800C，濾波電路和放大電路分別采用典型的RC濾波電路和LM358雙運算放大器。為了保證用戶在不依賴GPRS和WiFi信號的情況下也能正常使用本系統(tǒng)，故采用GSM發(fā)信方式，選擇典型的SIM800C模塊作為發(fā)信器。具體電路設(shè)計如下。

1.1 體溫數(shù)據(jù)采集

DS18B20溫度傳感器具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、精度高、附加功能強等特點。由于其溫度誤差較小且可以通過程序控制，故而使得結(jié)果更加精確，此外，DS18B20還可以通過端口直接供電，不必額外設(shè)置電源部分。溫度傳感器與單片機的連接方式如圖2所示。

圖2 DS18B20連接單片機

1.2 心率(脈搏)數(shù)據(jù)采集

ST188為光電式傳感器，根據(jù)其電氣特性，選取發(fā)射管的靜態(tài)電流為20 mA。取標(biāo)稱電阻R=200 Ω，此時的電流會小于20 mA，但是不影響結(jié)果。CE端的電阻比較靈活，該電阻是用來輸出高低電平的，通常接一個活動變阻器，方便調(diào)節(jié)閾值電壓[4-5]。ST188連接方式如圖3所示。

圖3 ST188連接方式

1.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

SIM800C節(jié)省空間，能適用于各種便攜型產(chǎn)品設(shè)計需求。它含有TTL電平接口，能夠?qū)崿F(xiàn)打電話、發(fā)短信、GPRS傳輸數(shù)據(jù)、TTS、藍牙(部分軟件版本不支持)等功能[6]。本系統(tǒng)的SIM800C連接電路如圖4所示。

圖4 SIM800C連接方式

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要包括主控芯片的流程設(shè)計和GSM子模塊的流程設(shè)計，具體設(shè)計如下。

2.1 主控芯片流程設(shè)計

傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)，由DS18B20進行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，直接顯示在液晶屏上；采集到的心率數(shù)據(jù)要先進行濾波、放大和量化處理，再傳入主控芯片，主控芯片對心率是否異常做出判斷。如果心率異常，則聲光報警電路響應(yīng)，同時主控芯片控制SIM800C向用戶手機發(fā)送相應(yīng)的信息；如果心率正常，則顯示心率數(shù)據(jù)。主控芯片具體流程圖如圖5所示。

圖5 主控芯片流程圖

2.2 GSM子模塊的程序流程圖

在實際操作時，需要用戶先輸入“PHONE SMS+手機號”進行綁定，否則GSM搜尋不到收信方，無法完成數(shù)據(jù)傳送。發(fā)送的短信內(nèi)容需要在程序中事先設(shè)定，將待發(fā)送字符串轉(zhuǎn)換成十六進制，在字符轉(zhuǎn)換表中可以找到一一對應(yīng)的字符意義[7]。具體流程圖如圖6所示。

圖6 GSM子模塊程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

在無電源供電情況下，插入移動或聯(lián)通的SIM卡。啟動后SIM800C模塊初始化成功并發(fā)送AT指令綁定手機號碼。

(1)溫度測試。首先測試室內(nèi)溫度，將防水DS18B20用酒精消毒，放置到屏幕顯示室溫，室溫顯示為25.9 ℃。隨后再握于手心，顯示體溫計為35 ℃。

(2)心率測試。心率閾值由按鍵1、2、3進行設(shè)置，如圖7所示。手指按壓部分為按鍵1，從左至右依次為按鍵2和按鍵3。按鍵1進入最低心率閾值設(shè)置，按鍵2可將數(shù)值依次增加，按鍵3可將閾值依次減小，最低心率閾值設(shè)置為60次/min；再次按下按鍵1可調(diào)整最高閾值，按鍵2和按鍵3操作同理，此時最高心率閾值閃爍(100呈現(xiàn)出模糊狀態(tài))；最后按下按鍵1回到測量界面。

圖7 心率閾值的設(shè)置

將手指放在ST188芯片上，保持水平(手肘與心臟大致在一條水平線上)，調(diào)節(jié)102電阻，使得人體心跳頻率與發(fā)光二極管閃爍頻率一致，如圖8所示。按下按鍵3，進入心率測試。將手指放在ST188芯片上，顯示心率在60～100內(nèi)即為正常值，此時不報警，如圖9所示。此時的溫度為室溫。

圖8 心率測試的準(zhǔn)備

圖9 心率測試結(jié)果

系統(tǒng)會根據(jù)心率具體數(shù)值采取措施，心率大于100次/min或者小于60次/min將發(fā)送信息提示，并伴有指示燈閃爍和蜂鳴器響，分別如圖10和圖11所示。數(shù)據(jù)測試完畢，SIM800C會將測試結(jié)果以及自檢網(wǎng)址發(fā)送到手機上，如圖12所示。

圖10 心率過高，警示燈閃爍

圖11 心率過低，警示燈閃爍

圖12 心率異常信息顯示

點擊進入該網(wǎng)頁界面，界面樣式如圖13所示，用戶可以訪問該網(wǎng)頁所引導(dǎo)的各種鏈接，同時可以直接預(yù)約醫(yī)療服務(wù)。

圖13 健康信息監(jiān)測交互界面

4 結(jié)論

本文研究了一種智能化人體健康信息監(jiān)測與交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)以52單片機作為平臺，DS18B20作為體溫數(shù)據(jù)收集器，ST188作為心率(或脈搏)數(shù)據(jù)采集器，LM358作為心率/體溫信號放大電路，濾波方式則使用傳統(tǒng)的RC濾波。采集到的人體生理信號，經(jīng)過濾波放大后交給控制中樞分析結(jié)果并反饋給用戶，用戶再根據(jù)提示進入醫(yī)療網(wǎng)站獲取更多相關(guān)信息，具有使用方便、成本低、測量精確、用戶交互性高等優(yōu)點。未來工作可進一步參考手環(huán)測血氧、血壓、計步的原理，進行相應(yīng)的功能擴展。