一款基于多傳感器的室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

饒宜迅，郭洛含，易永余

（杭州醫(yī)學(xué)院，浙江杭州，310000）

0 引言

中國老齡人口越來越多，對于老人的身體健康監(jiān)控也尤為重要，尤其是對老年人病床護(hù)理的監(jiān)控，病床護(hù)理監(jiān)控對老年人的身體健康，日常生活規(guī)律，生理健康指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，可以實(shí)時掌握老人的健康情況，給主治醫(yī)生提供必要的數(shù)據(jù)，方便醫(yī)生對老人健康指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，對老人精準(zhǔn)化下藥。同時也可以為護(hù)士提供老人生理指標(biāo)曲線和老人的狀態(tài)，方便護(hù)士對老年人緊急狀況及時的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行快速的處理，以防出現(xiàn)意外情況，這樣就可以減輕護(hù)士的巡邏的次數(shù)從而減小護(hù)士的工作量，同時對老人健康管理會更加的精確，老人一旦出現(xiàn)意外，護(hù)士反應(yīng)更加敏捷，綜上這套系統(tǒng)可以減小人力成本，提高人工效率，對老人健康進(jìn)行數(shù)字管理，可以精確的對老人病情掌握。因此，研究基于多傳感器的室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得很有必要。

1 系統(tǒng)總體框架

室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括離床檢測模塊，數(shù)字溫度傳感器，心率傳感器模塊，數(shù)字血壓監(jiān)測模塊，睡眠監(jiān)測模塊，呼吸監(jiān)測模塊，重力檢測模塊等多種生理特征傳感器檢測老人身體健康情況。這些傳感器通過STM32F103C8T6進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算后通過WIFI上傳到云、本地報警和本地顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 主要硬件電路介紹

室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的CPU使用的STM32F103C8T6,該CPU是意法半導(dǎo)體ST生產(chǎn)的一款微型CPU，具有72MHZ的晶振，內(nèi)部集成很多與本系統(tǒng)相關(guān)的外設(shè)，集成內(nèi)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換模塊，在室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中大部分傳感器都是模擬量，通過前置的信號調(diào)制電路之后，可以直接輸入到該CPU中，無需增加另外的ADC轉(zhuǎn)換芯片，可以減小系統(tǒng)的造價成本；同時該CPU還集成了IIC，可以直接連接室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的屏幕，顯示老人健康的信息；集成5對串口，一路可以本系統(tǒng)的WIFI模塊連接，把老人生理指標(biāo)的數(shù)據(jù)上傳到后臺數(shù)據(jù)中，另一路可以上傳到本地電腦，實(shí)時的分析老人健康狀態(tài)。通過這些外設(shè)可以使系統(tǒng)設(shè)計簡單而可靠，成本價格低。STM32F103C8T6單片機(jī)核心板接口電路圖如下圖2所示。

圖2 STM32F103C8T6單片機(jī)核心板接口電路圖

離床檢測是室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中判斷其他生理健康指標(biāo)的先決條件，判斷老人是否離開床位，如果未經(jīng)監(jiān)護(hù)人或醫(yī)護(hù)人允許，會進(jìn)行異常報警。離床檢測主要根據(jù)根據(jù)HCSR501人體感應(yīng)模塊進(jìn)行檢測。當(dāng)老人要離開床位時，會觸發(fā)到第一個人體感應(yīng)模塊，此時第一個人體感應(yīng)模塊會輸出高電平，此時系統(tǒng)不會報警，只是表明老人想要離開床，如果持續(xù)要離開床位，會觸發(fā)第二個人體感應(yīng)模塊，同時也會輸出高電平。證明老人已經(jīng)離開床位，如果老人回歸床位，則會首先觸發(fā)第二個人體感應(yīng)模塊，然后觸發(fā)第一個人體感應(yīng)模塊，CPU通過讀取這兩個傳感器的電平和這兩個傳感器高電平的順序，可以判斷老人是否離開床位，是否回歸床位，老人在床位的時間，離開床位的時間，離開床位的次數(shù)。電路圖如圖3所示。

圖3 離床檢測電路模塊

人體體溫檢測是室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中檢測生理健康指標(biāo)的一個重要的指標(biāo)，主要檢測老人體溫，來衡量老人是否處于健康的狀態(tài)，根據(jù)實(shí)時體溫畫成曲線，發(fā)送到醫(yī)生和護(hù)士端，可以輔助醫(yī)護(hù)人判別老人的健康狀態(tài)。檢測體溫主要使用紅外非接觸體數(shù)字溫度傳感器，用來測量人體體溫，可以無觸感的，實(shí)時對老人體溫進(jìn)行測量，省去了護(hù)士對老人人工量體溫的繁瑣，系統(tǒng)使用的數(shù)字溫度傳感器是I2C通信方式，由于該CPU內(nèi)設(shè)是含有I2C的外設(shè)資源，從理論上，可以直接連接到CPU，但是為了數(shù)據(jù)的可靠性，該系統(tǒng)在電路上加了上拉電阻，電路圖如圖4所示。

圖4 人體溫度傳感器電路模塊

心率檢測是室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中檢測生理健康指標(biāo)的一個重要的指標(biāo)，心率檢測是檢測老人脈搏次數(shù)，該指標(biāo)直接關(guān)系到老人的健康狀況，該數(shù)據(jù)會同時顯示到屏幕，護(hù)士，醫(yī)生和監(jiān)護(hù)人端中，一旦發(fā)生異常，該系統(tǒng)會馬上報警，通知相關(guān)人員。老人心每跳一下，心率傳感器就會輸出一個高電平，所以心率傳感器模塊是一個輸出開關(guān)量的傳感器，為了準(zhǔn)確的采集老人心率和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高抗干擾性，本系統(tǒng)引進(jìn)光耦器件，光耦具有隔離提高干擾性和電平轉(zhuǎn)換的功能。老人心不斷打跳，傳感器不斷的輸出+5V的脈沖，經(jīng)過配置電阻網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動光耦的發(fā)光二級管工作，PA6電的電壓就不斷輸出+3.3V的電壓脈沖，CPU通過讀取+3.3V電壓脈沖，來計算老人的心率，并通過屏幕顯示出來。通過串口發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)中。電路圖如圖5所示。

圖5 心率傳感器電路模塊

睡眠監(jiān)測是室內(nèi)病床監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中檢測生理健康指標(biāo)的一個重要的指標(biāo)，是衡量老人睡眠質(zhì)量的生理指標(biāo)，因?yàn)槿梭w睡眠的時候是相對靜止的，在床墊上放入壓電薄膜傳感器，根據(jù)壓電薄膜受力的分布，傳感器傳出不同的信號，可以得到人體是否在動，從而檢測到老人睡眠質(zhì)量的情況。傳感器傳出的信號是微弱的，而且是阻值信號，CPU不能識別到，需要進(jìn)行信號調(diào)制，本系統(tǒng)使用了經(jīng)典的兩級信號放大和一級電壓跟隨進(jìn)行信號調(diào)制，最后輸出0～ 3.3V電平的信號，由CPU來讀取，如圖6所示。

圖6 壓電薄膜傳感器電路模塊

呼吸監(jiān)測模塊采用了一款0～ 40Kpa的壓力傳感器，該傳感器是一個電壓型的模擬量傳感器，輸出的電壓信號，為了輸出的電壓信號更加穩(wěn)定，添加了一個模擬量采集電路。將呼吸的壓力信號轉(zhuǎn)換成電壓值進(jìn)行輸出，如圖7所示。

圖7 呼吸壓力傳感器電路模塊

重力檢測模塊，橋式傳感器輸出的信號較小且是模擬量，因此需要信號放大和A/D轉(zhuǎn)換。故采用專用型高精度24位A/D轉(zhuǎn)換芯片HX711來實(shí)現(xiàn)信號放大和將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

通道A模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接。由于橋式傳感器輸出的信號較小，為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的輸入動態(tài)范圍，該通道的可編程增益較大，為128或64，如圖8所示。

圖8 重力壓力傳感器電路模塊

由于單片機(jī)的I/O口驅(qū)動電流太弱，電路需要三極管來增加驅(qū)動電流讓蜂鳴器響應(yīng)。由圖3可以看出，電路設(shè)計的原理是當(dāng)單片機(jī)的I/O口為低電平的時候，發(fā)射極與基極的電壓差Ueb>0.7V，此時三極管導(dǎo)通，從而集電極得到的大電流通過蜂鳴器使得蜂鳴器能夠響應(yīng),反之I/O口輸入的是高電平的時候，即發(fā)射極與基極的電壓差Ueb<0.7V，這時三極管截止從而集電極沒有電流通過則不報警，如圖9所示。

圖9 報警電路模塊

3 程序設(shè)計

程序主要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出,通過APP和屏的值輸入報警參數(shù)，一旦超過報警的參數(shù)，APP和本地都會報警。

離床檢測模塊使用的是兩個HC-SR501人體感應(yīng)模塊，HC-SR501其實(shí)就是一個檢測到有人為高電平，沒人為低電平。當(dāng)檢測到一個HC-SR501人體感應(yīng)模塊突變，就說明老人已經(jīng)離開床位。人體體溫傳感器使用MAX30205MTA，這個傳感器是通過IIC協(xié)議進(jìn)行讀取的，所以單片機(jī)只要根基，該傳感器的協(xié)議就讀取，就可以讀取到人的體溫值。睡眠監(jiān)測模塊，呼吸監(jiān)測模塊，重力檢測模塊都是模擬量采集，STM32單片片內(nèi)還有AD模塊，加載AD模塊的庫，讀出AD值，根據(jù)AD值算出各個的值，就完成了這些量的采集。屏和WIFI都串口RS232協(xié)議，根據(jù)RS232協(xié)議和各自通信協(xié)議進(jìn)行通信即可。

4 結(jié)論

本人設(shè)計了一個成本低且簡單的人體特征監(jiān)測儀，主要用于室內(nèi)病護(hù)床使用，可以減少醫(yī)護(hù)人員的勞動力，可以檢測病人人體各項(xiàng)特征，能及時的把病人的人體特征發(fā)送到后臺，供親屬醫(yī)護(hù)人員參考。本文首先介紹了引言，根據(jù)引言提出本文的方案，根據(jù)具體的方案設(shè)計出了硬件電路和完成了元器件的選型，最后編寫對應(yīng)的驅(qū)動程序及邏輯程序。