老年人健康檢測系統(tǒng)的設計

能明凱，周廣明，趙偉，趙立嶺

（德州學院物理與電子信息學院，德州253023）

0 引言

隨著我國人口老齡化的不斷加劇，老年人健康問題已成為一個大家關注的社會問題。作為一個人口大國，我們的養(yǎng)老資源很難滿足數(shù)目龐大的老年人需求，居家養(yǎng)老在未來較長一段時間內仍是老年人的首選方式。為預防疾病，保障健康，定期體檢對老年人來說是非常重要。我國大部分地區(qū)都對老年人建立了健康檔案，定期讓老年人去檢測中心或派醫(yī)護人員登門進行體檢，這要消耗大量人力、財力，在農村、山區(qū)尤其明顯[1]。另外，定期檢查周期較長，不利于一些疾病的預防和及及時治療。特別是一些患有慢性疾病的老年人，更需要經常檢測以便及時掌控健康狀況的變化。

針對居家養(yǎng)老期間對身體健康狀況進行及時檢測的需求，我們設計了老年人健康監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能方便、快捷地檢測血壓、心率、血氧、體溫等常規(guī)體檢生理指標，通過液晶屏顯示，當監(jiān)測值超過正常生理閾值時進行報警提醒，便于老年人自我檢測。同時，通過LoRa 傳輸技術將數(shù)據(jù)傳輸至中心醫(yī)院或社區(qū)醫(yī)護中心，以便醫(yī)護人員監(jiān)控并建立健康檔案。

1 系統(tǒng)總體結構設計

老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、血壓及心率檢測模塊、血氧檢測模塊、體溫監(jiān)測模塊、無線傳輸模塊、顯示報警模塊和電源模塊等部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)選用STM32F103C8T6 作為核心控制器，采用云電高科的MKB0803 連續(xù)心率血壓脈搏波傳感器檢測血壓和心率，血氧濃度由MAX30102 實現(xiàn)，用非接觸紅外溫度傳感器MLX90614 快速測量體溫。檢測數(shù)據(jù)通過LCD12864 液晶屏實時顯示，并經由SX1278 LoRa 擴頻無線模塊傳輸至中心醫(yī)院或社區(qū)醫(yī)療中心，實現(xiàn)對老年人身體健康的監(jiān)控。

圖1 老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設計

2.1 單片機主控模塊

STM32 是意法半導體公司生產的32 位Cortex-M3內核ARM 微處理器，其增強型系列STM32F103 廣泛用于物聯(lián)網監(jiān)控設備[2-3]。STM32F103C8T6 有64K 字節(jié)Flash，48 個管腳，多達38 個I/O 口，工作環(huán)境溫度為-40-85℃，工作電壓為2V～3.6V。在本系統(tǒng)中，工作電壓設置為3.3V，選用8MHz 和32.768KHz 的晶振器分別產生高速和低速外部時鐘信號，采用按鍵復位方式，電路如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6晶振及復位電路

2.2 血壓、心率檢測模塊

云電高科的MKB0803 心率、血壓檢測模塊采用光電式容積描記（PPG）技術，通過感知手腕處血管內血液流動情況，檢測相應血壓、心率的變化。該模塊具有較高的集成度和穩(wěn)定性，使用了算法MCU，植入了心率、血壓算法，可將檢測的血壓、心率瞬時值直接以串口URAT 信號輸出至單片機。在系統(tǒng)設計中，選用5V 電壓供電，與STM32F103C8T6 具有URAT 串口通信功能的PA9、PA10 連接，電路如圖3 所示。

圖3 MKB0803心率、血壓檢測模塊

2.3 體溫監(jiān)測模塊

根據(jù)熱輻射理論，任何溫度高于絕對零度的物體都會向周圍空間輻射能量，通過檢測熱輻射能量，可確定物體溫度。系統(tǒng)選用非接觸紅外溫度傳感器MLX90614ESF，以便快速檢測體溫。MLX90614ESF 測溫范圍為-40℃～+85℃，滿足人體測溫需求，分辨率為0.02℃。MLX90614ESF 有四個引腳，SDA 和SCL 通過2 個10KΩ的上拉電阻作為雙向串行總線與單片機STM32F103C8T6 進行通信，工作電壓為3.3V，電路如圖4 所示。數(shù)據(jù)以I2C 方式與單片機進行通訊，連接至I2C 端口PB6 和PB7 端口。

系統(tǒng)選擇距腕部3cm 的小臂處作為測溫點，一方面可與系統(tǒng)在腕部測量血壓、脈搏同時進行，便于操作；另一方面，與腕部相比該點裸露相對較少，溫度變化波動小。為減少非接觸測溫過程中外界因素干擾，保護傳感器免受污染，設置傳感器距皮膚1cm 距離。

圖4 MLX90614ES與STM32F103C8T6連接電路

2.4 血氧檢測模塊

系統(tǒng)血氧檢測選用Maxim 公司的MAX30102 芯片，該芯片集成了660 納米和880 納米的兩個紅外光LED，采用光容積法對血液中血氧飽和度進行測量。為提高芯片檢測的穩(wěn)定性和可靠性，將芯片及相關元器件集成在一塊模塊上。在系統(tǒng)設計中，模塊工作電壓為1.8V，LED 驅動電壓為3.3V。采用I2C 方式與STM32F103C8T6 進行通信，輸出信號經2 個10KΩ的上拉電阻連接至單片機另一組I2C 端口PB10 和PB11，電路如圖5 所示。

系統(tǒng)選擇食指為血氧飽和度測量點，以方便老年人檢測。為減小測量過程中外界光線干擾，設置有保護套，只允許食指伸入。

2.5 顯示模塊

系統(tǒng)選用帶中文字庫的LCD12864 液晶顯示模塊，實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。該模塊分辨率為128×64，有16×16 點陣漢字，視域尺寸為73×39mm。選用黃綠屏背景，黑色字體，方便老年人觀看。模塊工作電壓為5V，顯示數(shù)據(jù)以并行通訊模式傳輸至顯示屏，PSB 端接高電平，由單片機PB 口輸出。PA 口的PA0、PA1、PA2、PA3 分 別 實 施 控 制 功 能。 LCD12864 與STM32F103C8T6 連接如圖6 所示。

圖5 血氧檢測電路

圖6 顯示電路

2.6 報警模塊

為便于老年人對異常結果的掌握，當檢測結果超過正常范圍時，進行報警提醒。報警提示采用蜂鳴器和發(fā)光二極管同時進行，根據(jù)檢測結果的異常程度，使1、2 或3 個二極管同時發(fā)光，分別由STM32F103C8T6的PA8 和PA13～PA15 進行控制，如圖7 所示。

圖7 報警電路

2.7 無線傳輸模塊

LoRa 無線擴頻傳輸技術由于傳輸距離遠、通信質量穩(wěn)定，廣泛應用于各種遠距離監(jiān)控設備中[4]。本系統(tǒng)無線傳輸采用安信可LoRa 模塊Ra-1，將檢測結果傳至附近中心醫(yī)院或社區(qū)醫(yī)療中心。該模塊射頻芯片是Semtech 公司的SX1278，工作在433MHz 頻段，具有超過-148dBm 的高靈敏度及+20dBm 的功率輸出，傳輸距離可達15Km。該模塊采用SPI 方式與單片機進行通信，使用STM32F103C8T6 具有SPI 功能的PA4～PA7端口。模塊工作電壓為3.3V，連接電路如圖8 所示。

圖8 LoRa無線傳輸模塊

2.8 電源模塊

系統(tǒng)工作需要5V、3.3V 和1.8V 直流穩(wěn)定電壓。選用12V 電池作為電源，經LM7805 三端穩(wěn)壓模塊得到5V 電壓，再經過LM1117-3.3 和LM1117-1.8 穩(wěn)壓模塊得到3.3V 和1.8V 電壓，為系統(tǒng)提供電源。

3 結語

血壓、心率、體溫、血氧是人體重要的生理指標，一些老年人常見的疾病，如心腦血管疾病，在這些指標上有顯著的體現(xiàn)。本文設計的老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)，通過合理設置器件位置，分別在食指、腕部、前臂檢測血氧/心率、血壓和體溫，可方便、快捷地檢測老年人的常規(guī)生理指標。借助LCD12864 液晶屏進行實時顯示，便于老年人及時掌握自己健康狀況，適時調整飲食起居；檢測結果通過LoRa 技術傳至中心醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心，避免了老年人去體檢或醫(yī)護人員登門檢測的麻煩，并大大節(jié)省醫(yī)療資源，為居家養(yǎng)老提供保障。