非接觸式生理參數檢測系統的設計與實現

黃政欽，劉銘華，陳文駿

（福建生物工程職業技術學院，福州 350007）

人體的生理參數會隨著年齡、身體健康狀態、性別、生理和心理活動的變化而變化，對人體的生理健康狀態進行實時監測，更好地了解被監測人的健康狀況，對于預防疾病和處理一些突發生理異常情況具有積極的意義。

目前，常用的生理參數監測設備基本上是接觸式的，測量設備會與人的身體部位直接接觸。非接觸式[1]的毫米波雷達有明顯的優勢，可以保護患者的隱私，不與患者接觸，極大地方便了需要長期連續進行生理參數監測的人群，避免交叉感染的風險，減少了監測儀器操作，特別適用于老人、小孩、精神病患者和大面積燒傷患者等的生理參數監測。

設計了一款基于毫米波雷達[2-3]和紅外線技術的非接觸式生理參數監測系統，以意法半導體公司的STM32F103C8T6 作為主控制器，采用60 G 毫米波生物感知雷達模塊非接觸地監測人體的心率、呼吸率、睡眠質量[4]等生理狀況，采用LU0614 紅外測溫[5-6]模塊進行人體體溫的非接觸式監測。通過12864 OLED 液晶屏對監測到的生理參數進行實時顯示，當人體的生理參數超出正常的范圍時，系統會通過OLED 屏顯示異常，同時蜂鳴器響來進行實時報警，提醒監護人員和被監測者采取相應的措施。

1 系統總體方案設計

圖1 為系統的總體方案設計圖。系統的電源可以采用3.3 V 穩壓電源供電，主控制器采用STM32F103C8T6型號的微控制單元（MCU），溫度傳感器模塊將測量到的體溫數據通過串口傳遞給MCU，60 G 毫米波生物感知雷達模塊通過串口通信將測量到的生理參數以特定格式數據幀的方式傳遞給MCU，在接收到串口發送的數據后，需要對數據幀進行解析，才能得到心率、呼吸率、睡眠質量等生理參數。MCU 通過SPI 協議來控制OLED液晶屏的顯示，并通過輸出脈沖寬度調制（Pulse width modulation wave，PWM）波控制蜂鳴器報警提示音的開啟和關閉。

圖1 系統總體方案設計

2 系統硬件設計

2.1 STM32F103C8T6 最小系統電路

系統采用的是意法半導體公司的ARM Cortex-M3架構[7]、型號為STM32F103C8T6 的MCU，主頻為72MHz，封裝采用LQFP48，具有20 kB 的RAM 存儲器，64 kB的FLASH 存儲器。該芯片外設資源豐富，具有37 個GPIO，具有SPI、UART、IIC 和PWM 等多種硬件接口，在電源管理方面包含待機、休眠等多種功耗模式。該芯片性價比較高，適合于便攜式設備、醫療電子儀器、工業控制等應用領域。STM32F103C8T6 微處理器構成的最小系統電路由MCU、電源電路、復位電路和晶振電路等組成，STM32F103C8T6 構成的最小系統電路原理圖如圖2 所示。

2.2 非接觸式紅外體溫測量

LU90614 是紅外測溫傳感器，可以用來高精度非接觸式地測量人體或物體的溫度。紅外測溫的原理主要是通過被測的人或物體輻射的紅外[8]能量來檢測人體或物體的溫度，具有響應速度快、非接觸式、精確度高及應用領域廣等特點。

該模塊工作電壓在3.3～5.0 V，工作環境溫度為-40～125 ℃，采用串口通信協議。LU90614 模塊的TXD與MCU 的PA10（USART1_Rx）相連，LU90614 模塊的TXD 端與MCU 的PA9（USART1_Tx）相連。波特率設置為9 600 bps，8 個數據位，1 個停止位，無奇偶校驗位。

2.3 60 G 毫米波雷達測量生理參數

毫米波是波長在1～10 mm 的電磁波。毫米波具有分辨率高、抗干擾能力強、穿透能力強的特點。60 G 或77 GHz 的毫米波雷達具有檢測小于1 mm 距離的位置移動的能力，因此可以用于人體生理參數的檢測。毫米波雷達模塊采用R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊，該模塊由雷達芯片、微控制器（MCU）和雷達天線設計成的模組，預留了電源、GND 接口、串口通信接口、GPIO，用于給用戶進行二次開發。

R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊進行人體生理參數監測的原理：雷達發射頻段為60 GHz 的電磁波，人體被測的部位會發射電磁波，毫米波雷達模塊接收人體反射的電磁波信號，并對電磁波信號進行解調，再通過信號放大、濾波、AD 轉換等信號處理。毫米波雷達的MCU 接收解調后的電磁波信號，并對解調后的電磁波信號進行幅度、頻率、相位等計算，從而輸出人體的生理參數，如心率[9]、呼吸率[10]和睡眠質量等。R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊具有如下特點。

1）使用調頻連續波（FMCW）技術進行生理參數的測量；

2）呼吸心跳的測量距離為0.4～2 m；

3）提供通用的UART 串口通信協議，方便開發者進行二次開發、應用；

4）毫米波發射功率較小，屬于非接觸式無創檢測；

5）不受煙霧粉塵、溫度、濕度和天氣變化等環境因素的影響。

60 G 毫米波雷達模塊與STM32F103C8T6 MCU 的連接方式如圖3 所示。

圖3 60 G 毫米波雷達模塊與MCU 的連接

2.4 生理參數顯示模塊

OLED 是有機發光顯示器，OLED 具有自發光、視角廣、對比度高、不需要背光燈及制造工藝簡單等特點，常用于手機、數碼相機、便攜式設備等。12864 OLED 屏幕的像素是128×64，橫向有128 個像素點，垂直方向有64 個像素點，支持任意的字符、圖形、圖標顯示，支持SPI 通信接口。系統采用的12864 OLED 屏幕具有7 個引腳，分別是GND、VCC、D0、D1、RES、DC 和CS。MCU與12864 OLED 屏之間的連接圖如圖4 所示。

圖4 MCU 與12864 OLED 屏之間的連接圖

2.5 蜂鳴器報警提示電路

蜂鳴器報警電路如圖5 所示，MCU 的PB13 引腳與BEEP 相連接。

圖5 蜂鳴器報警提示電路

通過MCU 的PB13 引腳輸出PWM 波來控制蜂鳴器的工作與關閉。當BEEP 輸入低電平時，三極管Q1導通，蜂鳴器開始工作，當BEEP 輸入高電平時，三極管Q1 截止，蜂鳴器停止工作。同時，由于MCU 的IO 口的電流輸出驅動負載的能力有限，三極管9012 具有放大電流的作用，可以提供足夠的電流用來驅動蜂鳴器正常工作。

3 系統軟件設計

系統采用STM32F103C8T6 芯片作為微控制器，首先需要對主控制器進行編程，對系統進行初始化。由于LU90614 紅外測溫模塊和R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊分別通過串口USART1、USART3 進行數據交互，需要先對USART1、USART3 進行初始化、進入中斷服務程序，對LU90614 紅外測溫模塊和R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊發送的數據幀進行解析，從而得到人體的生理參數，并通過OLED 屏進行實時顯示。當系統監測到人體的生理參數出現異常時，蜂鳴器響，報警提示異常。系統的主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 系統主程序流程圖

3.1 人體體溫數據幀解析

LU90614 模塊在用于人體體溫測量時，需要通過程序來配置為體溫測量模式，具體步驟如下。首先，MCU向LU90614 模塊發送指令0XFA 0XC5 0XBF，使得LU90614 模塊工作在體溫模式；其次，MCU 向LU90614模塊發送指令0XFA 0XCA 0XC4，LU90614 模塊開始測溫，并將測得的體溫數據以數據幀的形式發送給MCU；最后，MCU 將收到的數據幀進行解析，得到體溫數據，并發送給12864 OLED 屏顯示。

數據幀的格式為：幀頭+指令+DataH+DataL+保留位1+保留位2+保留位3+保留位4+校驗位，其中0XFE 為幀頭，0XAC 代表為體溫模式測到的溫度，DataH 是測到溫度的整數位，DataL 是測到溫度的小數位。假定收到的數據幀為0XFE 0XAC 0X24 0X28 0X00 0X00 0X00 0X00 0XF0；那么此時測到的體溫為36.4 ℃。

3.2 毫米波雷達模塊接收到的數據幀解析

毫米波雷達模塊在上電后，會以數據幀的方式，通過串口主動發送心率、呼吸率、睡眠狀態和睡眠質量等生理參數信息。MCU 在通過串口USART3 接收到這些數據幀后，需要進行數據幀的解析。

串口數據幀的格式定義為：幀頭+控制字+命令字+長度標識+數據+校驗碼+幀尾，毫米波雷達中不同生理參數以不同的數據幀組合方式上報。如心率數值上報的方式為：5359 8502 0001 心率數值sum 5 443，3 s 上報一次。MCU 收到的毫米波雷達模塊發送的一組數據幀為5359 85 02 0001 4C 80 5443，可以推出：0X5359是幀頭，0X85 是控制字，0X02 是命令字，0X0001 代表數據為1 字節長度，0X4C 是數據，校驗和sum=0X53+0X59+0X85+0X02+0X00+0X01+0X4C=0X0180，取低2位為0X80。由控制字85 和命令字02 可知，此幀中的數據代表心率值，那么心率值為4C=76。

4 系統測試

4.1 系統的硬件連接

系統的硬件連接實物圖如圖7 所示，按圖7 完成系統實物的連接并上電。

圖7 系統的硬件連接實物圖

4.2 體溫、心率、呼吸率、睡眠質量的監測

設計的系統主要是實現對體溫、心率、呼吸率、睡眠質量等非接觸式生理參數的監測。在系統上電后，人體的手掌等部位靠近LU90614 模塊，距離要在30 cm 以內，人坐好靜止不動，毫米波雷達需要正對被測者的胸腔或背部，距離毫米波雷達模塊0.4～2 m 以內，即可測出人體的體溫、心率、呼吸率。被測者平躺在床上，模擬正常睡眠場景，采用該系統可以對人體的睡眠質量進行監測。測得的體溫、心率、呼吸率、睡眠質量如圖8 所示。

圖8 體溫、心率、呼吸率、睡眠質量的監測

5 結束語

傳統的生理參數監測設備基本上是接觸式的，需要與人體直接接觸，被測者活動受限、儀器操作也不方便、不利于保護被測者的隱私，特別是對于老人、小孩、燒傷患者等的生理參數監測顯得更加困難。通過設計一款非接觸式生理參數監測系統，LU90614 人體紅外測溫模塊、R60ABH1 呼吸心跳雷達模塊與型號為STM32F103C8T6 的MCU 通過串口進行通信，MCU 分別對收到的數據幀進行解析，得到了體溫、心率、呼吸率和睡眠質量等人體的生理參數。 顯示部分采用12864 OLED 屏，MCU 將測得的人體生理參數直接顯示在OLED 屏上。報警提示部分采用蜂鳴器電路，當人體的生理參數出現異常時，蜂鳴器響，對被測者及時進行報警提示。非接觸式生理參數監測系統的設計，對于被測者的日常健康狀態監測、疾病的預防、人體生理的突發異常處理具有一定的意義。