基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)分布式心率血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的心率與血氧含量的檢測(cè)方法在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的應(yīng)用中存在的缺陷與不足，設(shè)計(jì)了一款實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的心率與血氧含量的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)以STM32為控制器，由主機(jī)和從機(jī)兩大系統(tǒng)組成。通過(guò)從機(jī)的MAX30102模塊采集心率與血氧數(shù)據(jù)，將老年人心率與血氧數(shù)據(jù)在從機(jī)的OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，當(dāng)老年人心率與血氧數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，利用從機(jī)WiFi將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)WiFi，在主機(jī)的OLED顯示屏上進(jìn)行顯示。如主機(jī)上OLED顯示屏顯示的數(shù)據(jù)不在正常閾值范圍內(nèi)，主機(jī)將按照WiFi傳輸順序精準(zhǔn)閃爍LED燈并通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，護(hù)理員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的身體狀況。

關(guān)鍵詞：ESP8266 WiFi模塊；分布式；物聯(lián)網(wǎng)；MAX30102心率血氧模塊；心率與血氧含量；STM32F103C8T6

中圖分類號(hào)：TP39；TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）05-000-03

0 引 言

經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，中國(guó)是世界上老年人人口最多的國(guó)家。2020年我國(guó)60歲及以上老年人人口已達(dá)2.64億，占總?cè)丝诘?8.7%。同時(shí)約有200萬(wàn)的老年人居住在養(yǎng)老院，而護(hù)理員人數(shù)卻只有養(yǎng)老院老年人人數(shù)的10%[1-5]。因此需要一款高精度、便于攜帶，并能夠通過(guò)分布式形式來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)老院老年人的心率血氧的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，來(lái)了解每個(gè)老年人的身心健康，并在一定程度上降低護(hù)理員的工作難度[6-8]。

本研究使用MAX30102心率血氧模塊作為心率血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的心率血氧，并對(duì)每個(gè)老年人的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由于每個(gè)老年人都是獨(dú)立的個(gè)體，所以采用分布式形式進(jìn)行老年人心率血氧值的傳輸。本產(chǎn)品具有體積小、攜帶方便、精確度高等特點(diǎn)，護(hù)理員可以實(shí)時(shí)掌握老年人的心率血氧值，監(jiān)測(cè)心率血氧值是否處于閾值范圍內(nèi)，保障老年人的健康生活，這也是養(yǎng)老院科學(xué)、高效地開(kāi)展老年人健康生活監(jiān)測(cè)的有效方式[9-11]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MAX30102心率血氧模塊的兩大特性電路，模擬信號(hào)采集電路和數(shù)字處理電路與STM32F103C8T6單片機(jī)I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。利用從機(jī)ESP8266 WiFi發(fā)送心率血氧數(shù)值、主機(jī)ESP8266 WiFi接收心率血氧數(shù)值的方式，二者分別連接到兩個(gè)STM32F103C8T6單片機(jī)上，將接收到的心率血氧值用OLED顯示屏顯示。本設(shè)計(jì)采用1個(gè)主機(jī)和8個(gè)從機(jī)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)硬件系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、按鍵模塊、ESP8266 WiFi模塊、OLED顯示模塊、蜂鳴器模塊以及指示燈組所構(gòu)成。主機(jī)硬件框圖如圖2所示。主機(jī)原理如圖3所示。工作流程是主機(jī)WiFi接收從機(jī)WiFi發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與命令控制，如有低于或高于設(shè)置閾值的情況，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警且指示燈閃爍，并對(duì)數(shù)據(jù)不正常的老年人進(jìn)行特殊標(biāo)注，反之則正常顯示。

2.2 從機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從機(jī)硬件系統(tǒng)主要由STM32最小系統(tǒng)、電源模塊、OLED顯示模塊、ESP8266 WiFi模塊、MAX30102心率血氧模塊所構(gòu)成。從機(jī)硬件框圖如圖4所示。從機(jī)原理如圖5所示。

上電后，利用MAX30102傳感器實(shí)現(xiàn)人體生理血氧和心率信號(hào)的實(shí)時(shí)采集；經(jīng)過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將數(shù)據(jù)以及圖像在OLED顯示屏上顯示出來(lái)；同時(shí)STM32F103C8T6單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳給WiFi模塊，并將數(shù)據(jù)利用WiFi遠(yuǎn)程傳輸?shù)街鳈C(jī)上。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)上電后，程序開(kāi)始運(yùn)行，定時(shí)器、ESP8266 WiFi、OLED顯示屏初始化。接下來(lái)進(jìn)入While循環(huán)，判斷按鍵模塊的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。當(dāng)設(shè)置按鍵按下時(shí)，切換設(shè)置模式；“加”按鍵按下時(shí)，加報(bào)警上限閾值；“減”按鍵按下時(shí)，減報(bào)警下限閾值。在調(diào)節(jié)完成后，按下確認(rèn)鍵確認(rèn)數(shù)值，系統(tǒng)運(yùn)行。主機(jī)WiFi開(kāi)始接收每個(gè)從機(jī)WiFi傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，系統(tǒng)依次分析每個(gè)老年人的心率血氧值。如若接收到的數(shù)據(jù)都在正常的閾值范圍內(nèi)，LED燈為常亮狀態(tài)，蜂鳴器不會(huì)觸發(fā)。當(dāng)有超過(guò)設(shè)置的閾值或低于設(shè)置的閾值時(shí)，LED燈會(huì)進(jìn)行閃爍并打開(kāi)蜂鳴器報(bào)警。主機(jī)軟件流程如圖6所示。

3.2 從機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從機(jī)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，當(dāng)MAX30102血氧模塊檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，會(huì)采集5 s內(nèi)心率和血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、分析、接收；當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠后，將得出的數(shù)據(jù)依次顯示在OLED顯示屏上。從機(jī)軟件流程如圖7所示。

在所有數(shù)據(jù)得出后，從機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)連接的WiFi和主機(jī)數(shù)據(jù)連接的WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)全部顯示在主機(jī)的OLED顯示屏上。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的是一款基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)分布式心率血氧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用主機(jī)和從機(jī)相結(jié)合的方式，既可以讓老年人看到自己的心率與血氧數(shù)據(jù)，又可以讓護(hù)理員通過(guò)主機(jī)的OLED顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)。如發(fā)現(xiàn)不在正常閾值范圍內(nèi)的心率與血氧數(shù)值，將發(fā)出實(shí)時(shí)警報(bào)并LED燈閃爍提示。該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)心率與血氧，并采用比較穩(wěn)定的WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)老院內(nèi)老年人心率異常與血氧濃度較低的情況，并及時(shí)救治。

注：本文通訊作者為姜莉。

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作者簡(jiǎn)介：李 博（2001—），男，河南商丘人，大連理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)本科在讀。

劉詩(shī)澤（2000—），男，遼寧鞍山人，大連理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)本科在讀。

朱文煜（2001—），女，云南大理人，大連理工大學(xué)城市學(xué)院通信工程專業(yè)本科在讀。

姜 莉（1980—），女，遼寧大連人，大連理工大學(xué)城市學(xué)院工程師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信。

收稿日期：2023-04-22 修回日期：2023-05-19

基金項(xiàng)目：2022年度遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目（青年項(xiàng)目）：基于WiFi透?jìng)鞯淖赃m應(yīng)波特率串口傳輸技術(shù)的研究（LJKQZ20222465）