多參數家庭監護終端的設計與實現

劉曉樑 董月廣 林志義 劉恬 韋小霞

【摘 要】對傳統的多參數監護儀功能進行改進和創新，設計了多參數家庭監護終端系統，系統包含有三個模塊：生理信號測量單元，數據傳輸單元，終端操控與交互單元。其中傳感單元又分為心電、血氧飽和度、脈搏波、呼吸速率、體溫和血壓數據采集;數據傳輸模塊實現采集到生理信號無線傳輸;終端操控與交互單元存儲采集到的數據和網絡上的服務器，用戶可以通過觸摸屏查看患者的各種生理參數，管理用戶信息。本設計能真實有效的監護到人體各種參數，非常適合在家庭環境中使用。

【關鍵詞】 多參數監護;ZigBee;嵌入式;QT

1 引言

在經濟發展迅速、人口基數持續增大和人類老齡化程度漸漸變重的今天，人們對身體健康的意識也在不斷的增強，人們試圖尋找更好的、更智能化的醫療設備，來保障生理和心理的健康，甚至越來越多的人希望擁有家庭自助醫療設備，來監護健康[1]。多參數監護儀是對患者體征監護有及其重要意義的、普遍被使用的醫療智能設備。它可以監護的體征參數有：呼吸頻率、血氧飽和度、心率值、血壓值、脈搏，并且還能從這些參數中做相應的數據處理和數據分析。多參數監護儀大大的提高了醫對人體生命體征監護的質量，被廣泛地使用在醫院的重癥增強治療病房（ICU）里。目前，多參數監護儀慢慢向著智能化、便攜化、精簡化的方向發展，逐步適應家用、低功耗、低成本的商業需求，使得它更加適用于普通醫療機構和普通的家庭用戶。設計出一臺能有效監護生理信息的適用于普通家庭的多參數監護儀有很大的市場市場需求。

2 系統總體設計

2.1 系統結構圖

系統架構如圖1所示，利用各種可穿戴式傳感器采集用戶的實時生理參數，使用ZigBee無線傳感網絡進行數據的實時傳輸，所有數據統一聚合到監護控制終端上做解析、處理、存儲，數據再經過網絡轉發至云端服務器上，再由云端的數據庫來存儲。使用web后臺管理系統，實現遠程監護功能。

2.2 各模塊功能

2.2.1采集模塊

心電、血氧二合一模塊的功能用于采集心電信號，放大、濾波之后，解析出心電圖和心率值，并且還能夠采集脈搏信號，提供血氧參數。另外從呼吸速率也是從本模塊中提取。

2.2.2數據傳輸模塊

使用ZigBee模塊是來完成患者體征參數采集，通過無線傳輸到有協調器的監護終端上，監護終端通過WIFI無線模塊用戶的數據轉發到云服務器中，并且把數據存儲至云數據庫中。

2.2.3終端控制顯示模塊

終端控制顯示模塊對各種生理信號進行數據分析處理，通過圖形界面，顯示實時波形、各項身體指標，存儲相關數和管理病例資料等。

2.2.4服務器

服務器為移動監護端（手機APP、公眾號）提供遠程監護查詢、用戶信息文件的創建和管理和預警的功能。

2.3 數據庫設計

用戶登錄信息和用戶監護數據統一由監護終端發送至服務器上，然后經過服務器的管理，存儲到數據庫中。其中用戶登錄信息表由5個字段組成。分別是usr_id（登錄名）、usr_pwd（用戶密碼）、usr_addr（用戶地址）、usr_tel（用戶聯系方式）、usr_mail（郵箱）。

用戶監護數據表設計，每個用戶對應一張用戶數據表，表名根據用戶名usr_id決定。每個用戶有六個字段的數據，分別是time（時間）、xinlv（心率）、xueyang（血氧）、tiwen（體溫）、huxi（呼吸）和xueya（血壓）。

3 系統軟件設計與實現

3.1 硬件部分

3.1.1無線采集模塊

采用CC2530微處理器實現無線采集模塊和協調器模塊。

3.1.2監護終端

采用ARM Cortex-A8作為無線多參數監護儀的主控芯片，與CC2530協調器模塊采用串口通信協議進行數據傳輸。

3.1.3傳感器模塊

體溫測量使用的是DS18B20溫度傳感器;HKB-08B測量血壓，心電血氧二合一模塊測量心電和血氧。

3.2 軟件部分

3.2.1登錄與注冊模塊設計

用戶登錄的目的是讓多參數監護儀能夠遠程監護用戶身體狀況，并且簡化終端的數據存儲，將數據發送到云端對應的用戶數據表中，節省本地存儲空間和成本。用戶可以在一臺終端注冊多個用戶，當登錄不同用戶時，監護不同用戶的生理狀況。實現一機多用。

3.2.2主界面設計

用戶在主界面可以看到各種參數的值，及其動態波形，不同的波形圖，由不同顏色的線條構成，方便用戶觀察，由于血壓不需要24小時監護，設計了血壓采集控制的控件（Qpushbutton），用戶可按需使用，還能通過菜單欄做其他簡單的操作。

3.2.3歷史數據存儲設計

歷史數據是醫生診斷的重要依據，所以，本設計對其設計如下，用戶點擊打開歷史數據，便可以找到相應的歷史數據，再選擇相應時間段的數據。

3.3 核心算法

3.3.1心率檢測算法

（1）從心電數據中提取心率數據，心率提取的算法如下：

（2）設置電壓閾值;

（3）設置定時器（1ms），和計數變量count;

（4）時間到了，觸發信號，計數變量加1;

（5）判斷心電數據是否超過閾值，若超過了，保存count到temp變量中，count清零;否則count直到觸發信號重復本步驟。

（6）最后，計算心率值。

3.3.2呼吸頻率算法

健康的人，呼吸（X）與脈搏（Y）之間存在一定的比例關系，滿足函數Y=4X，基本滿足也就是說呼吸頻率與心跳頻率之間存在線性關系，根據這個線性關系即可推算出呼吸頻率。

4 系統測試

4.1 硬件測試

采集的參數正常，心電圖正常，脈搏波顯示正常，系統符合預期設想。

4.2 軟件測試

通過測試，如圖2所示，可以通過他查看患者信息、登錄、注冊、查看歷史數據顯示參數和波形圖表等，得知顯示結果正確，數據傳輸正確，登錄注冊正常。

5 結論

設計出的多參數家庭監護終端具有智能化、便攜化、精簡化的特點，滿足低功耗、低成本的商業需求，使得它特別適用于普通醫療機構和普通的家庭用戶，具有廣闊的市場前景。

基金項目：

本項目得到2020省級年大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：S202010576022）

（作者單位：韶關學院（信息工程學院））