生命體征遠程監測器

朱一鳴

（山東省臨沂第一中學，山東 臨沂276000）

創新點：

（1）本系統的設計實現了體溫、血氧濃度和心率等人體生命體征參數的實時測量、遠程查看、分析等功能。

（2）本系統可以作為個人醫護設備，成本低廉、便于攜帶。

（3）本系統可以長期數據監測，并對采集的數據進行健康分析，溫度超標后，可以進行遠程報警。

1 項目調研

當今世界科技高速發展，人們對生命和健康的追求越來越重視。家庭醫療保健設備層出不窮，越來越多的家庭也關注自身的醫療防范，比如心腦血管疾病的預防監測，怎么有效地防治這類疾病，逐漸全社會面臨的一個刻不容緩的問題，于是想設計一款成本低廉、便于攜帶的無線生命體征監測設備。

2 作品功能

本設備是一個能夠檢測和監測人體健康參數（體溫、血氧濃度和心率）的健康保健設備。用戶連接好設備后，通過上位機可以直觀看到體溫、血氧濃度和心率的波形圖，上位機實時顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數據，并且支持在規定時間內采集并且記錄數據，最后導出PDF 到PC。在PDF 中，用戶可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態。如果體溫發生異常，則蜂鳴器發聲報警，并且遠程報警器也發生報警，以告知監護人。

3 方案設計

本設備下位機采集設備使用血氧濃度和心率可穿戴傳感器、體溫傳感器，STM32 單片機采集數據，采取ZigBee 無線連接遠程報警端。設計基于ZigBee 的無線串口采集生命體征數據，使用C 語言對采集器進行變成，使用Arduino 設計遠程報警端，當溫度超過設計的標值采集端和遠程端均報警。使用Java 程序編寫上位機界面設計，上位機實時顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數據，并且支持在規定時間內采集并且記錄數據，最后導出PDF 到PC。在PDF 中，用戶可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態。硬件端分別為無限串口、遠程報警端和采集端。

4 硬件分析

4.1 STM32 系統開發板

用嵌入式系統來實現整個作品的調控和功能的實現, 主控芯片使用了STM32 主控芯片,并結合紅外無線遙控，可以控制任何功能。

經過與其他系列型號的單片機芯片相比較，最后決定采用STM32F103 系列主控芯片，STM32 是32 位單片機，一次處理數據寬度32 位，而51 只能處理8 位數據；STM32 的內部RAM 和ROM（flash）都比51 大得多，STM32F103 有64kRAM，512kROM，外設也比較豐富，定時器多達14 個，PWM 功能強大，其ADC精度也達到12 位，外部接口豐富，可以添加各種外部設備達到別的功能。性能穩定，不會出現因內部問題而造成的輸出不穩定。

4.2 MAX30102：血氧濃度&心率傳感器

Maxim 公司的MAX30102 是高靈敏度血氧和心率生物傳感器，包括內部的LED，光電檢測器，光學元件，以及環境光抑制的低噪音電子學。單個1.8V 電源，內部LED 電源5.0V，通信通過標準的I2C 接口進行，工作溫度-40℃到+85℃，微細5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 14 引腳封裝，主要用在可穿戴設備以及健美輔助設備。

4.3 MAX30205:體溫傳感器

MAX30205 體溫傳感器評估套件用于快速、方便地評估MAX30205 傳感器。該傳感器采用了高分辨率Σ-Δ 型模數轉換器。該轉換器可精確測量體溫并將其轉換為數字形式。高精度和低電壓操作有助于幫助設計人員滿足出錯和電力預算，主要特征為精確0.1℃精度（37℃至39℃），16 位（0.00390625℃）溫度分辨率，2.7V 至3.3V 電源電壓范圍，單次和關斷模式有助于降低用電量，600μA（典型值）工作供電電流。

4.4 Zigbee

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee 技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。ZigBee 是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee 協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4 標準的規定。

4.5 蜂鳴器

蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。

5 軟件分析

5.1 采集器程序設計

編程語言:C

IDE:Keil5 for ARM

編寫環境:Windows10 64bit

5.2 報警器

編程語言:C++

IDE:Arduino

編寫環境:Windows10 64bit

5.3 上位機

編程語言:JavaFX

IDE:IDEA

編寫環境:Windows10 64bit

6 成果的測試與使用

連接好設備后，通過上位機可以直觀看到體溫、血氧濃度和心率的實時數據波形圖，上位機實時顯示人體的體溫、血氧濃度和心率的數據，并且支持在規定時間內采集并且記錄數據，最后導出PDF 到PC。在PDF 中，用戶可以看到體溫、心率和血氧濃度的平均值和身體狀態。如果體溫發生異常，本系統設計為超過28 度則蜂鳴器發聲報警，并且遠程報警器也發生報警，做到了全方位防范。

7 作品主要創新點

7.1 本系統的設計實現了體溫、血氧濃度和心率等人體生命體征參數的實時測量、遠程查看、分析等功能。

7.2 本系統可以作為個人醫護設備，成本低廉、便于攜帶

7.3 本系統可以長期數據監測，并對采集的數據進行健康分析，溫度超標后，可以進行遠程報警。

8 下一步設想

將其設計為可穿戴式設備，增加脈搏、心跳等傳感器，監測數據更多，實用性更強。

9 致謝

在本作品的研究開發與修正過程中，得到科技教師的幫助，謹致謝意。