范 霖， 陳向東， 李 寧

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

基于快速響應(yīng)濕度傳感器的無線呼吸檢測系統(tǒng)*

范 霖， 陳向東， 李 寧

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031)

呼吸功能的實時檢測對有呼吸功能障礙的人群十分重要?；诩{米材料濕度傳感器和Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種呼吸檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由四部分組成：濕度傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)接收節(jié)點、基于VC++的MFC平臺開發(fā)的呼吸功能檢測軟件。系統(tǒng)實現(xiàn)了呼吸頻率記錄、呼吸暫停報警、呼吸信號波形實時顯示等功能。實驗對幾位志愿者進(jìn)行呼吸功能檢測，驗證了系統(tǒng)的有效性。呼吸檢測系統(tǒng)具有響應(yīng)和恢復(fù)快、能夠檢測急促呼吸、受外界干擾小、無線檢測、攜帶性強等特點。

呼吸功能檢測； 濕度傳感器； Zig Bee； 上位機

0 引 言

呼吸疾病患者、器官嚴(yán)重病變的病人、老年人容易出現(xiàn)呼吸異常甚至呼吸衰竭的情況，這些人群需要對呼吸功能進(jìn)行密切觀察[1]。在對傳染病患者進(jìn)行呼吸檢測時醫(yī)務(wù)人員很容易受到病菌的感染,但是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能適當(dāng)降低醫(yī)務(wù)人員的感染風(fēng)險[2]。呼吸頻率是衡量呼吸功能的重要參數(shù)，檢測呼吸頻率的常用方法是檢測鼻腔氣流溫度和胸腔壓力[3]。溫度傳感器[4]是檢測鼻腔氣流溫度的常用裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、能重復(fù)使用，但是當(dāng)病人呼吸微弱或者環(huán)境溫度和體溫相近時溫度的變化很小，裝置的靈敏度會受到影響不利于檢測。檢測胸腔壓力采用壓力傳感器[5]，壓力傳感器的靈敏度高，可以監(jiān)測胸腔的微弱運動，但是易受人體行動的干擾，影響其監(jiān)測精度。

為了解決前兩種檢測方法的缺點，本文設(shè)計了采用濕度傳感器來檢測呼吸頻率的方案。本設(shè)計采用基于納米材料的濕度傳感器作為探頭，這種無線呼吸檢測系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)和恢復(fù)時間短，而且采用Zig Bee無線通信節(jié)點[6]傳輸數(shù)據(jù)，不但能降低醫(yī)務(wù)人員的感染風(fēng)險，而且布線簡單，方便病人攜帶。

1 呼吸系統(tǒng)設(shè)計原理

呼吸檢測系統(tǒng)的原理是：人體呼氣時，呼出的氣體含有的水分會引起鼻腔周圍濕度的變化，濕度傳感器實時地采集鼻子附近的濕度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過后端處理得到相應(yīng)的呼吸頻率等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)就是利用A/D轉(zhuǎn)換得到濕度傳感器的電壓值，從而判斷人體的呼吸情況。

人類單次呼吸時長為3～6 s，因此,濕度傳感器的響應(yīng)時長與恢復(fù)時長分別應(yīng)控制在3 s以內(nèi)[1],這樣高靈敏度的傳感器才能準(zhǔn)確地采集鼻腔周圍的濕度變化數(shù)據(jù)，進(jìn)而準(zhǔn)確反映人體的呼吸狀況。常用的濕度傳感器多采用聚酰亞胺等傳統(tǒng)材料作為感濕層，這些傳感器的靈敏度低，響應(yīng)時間長，多在15 s以上，可測量濕度范圍窄，顯然無法滿足呼吸功能檢測的要求[7,8]。因此，本文設(shè)計采用實驗室制備的基于納米材料的濕度傳感器，該納米材料具有很好的親水特性，其響應(yīng)和恢復(fù)時間為1 s左右。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無線呼吸頻率檢測系統(tǒng)由四部分組成：基于納米材料的濕度傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)接收節(jié)點、上位機。含有濕敏薄膜的叉指電極作為濕度傳感器探頭和一個電阻器串聯(lián)，并在叉指電極和電阻器兩端加上2 V的恒壓源。采集節(jié)點上的A/D轉(zhuǎn)換電路采集串聯(lián)電阻器上的電壓，將呼氣時的氣流濕度轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，并采用Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點。接收節(jié)點接收到電壓數(shù)據(jù)后經(jīng)串口將數(shù)據(jù)傳到PC，PC的上位機處理電壓數(shù)據(jù)，并將得到呼吸的頻率和其它呼吸參數(shù)顯示在界面中。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路由采集節(jié)點和接收節(jié)點組成，節(jié)點之間采用Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，電路設(shè)計實現(xiàn)了硬件的模塊化。

采集節(jié)點負(fù)責(zé)采集傳感器探頭的電壓數(shù)據(jù)，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給接收節(jié)點。圖1左邊為采集節(jié)點的電路框圖，其硬件電路由傳感器探頭、3.3 V電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、液晶顯示電路、MCU模塊組成，其中，MCU模塊集成了RF收發(fā)器。電壓的采集電路主要由TI公司的TLC549芯片和外圍電路組成。一般串行輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片多選用I2C接口或SPI接口，MCU通過這兩種接口讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時需要用I/O口模擬通信時序。TLC549采用了三線串行接口的方式與MCU通信，包括時鐘線、數(shù)據(jù)線、片選信號線，這種通信方式比I2C，SPI時序更易實現(xiàn)并且能節(jié)省部分MCU資源。由于采集節(jié)點中TLC549和微處理器CC2530的工作電壓均為3.3 V，所以，該節(jié)點采用TPS79533芯片設(shè)計了5～3.3 V的電源管理電路。節(jié)點中顯示數(shù)據(jù)的液晶是并行接口，但數(shù)據(jù)是由CC2530的一個I/O口串行輸出的，所以，節(jié)點采用74HC595設(shè)計了串行到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

圖1 節(jié)點電路框圖

接收節(jié)點使用RF收發(fā)器接收到電壓數(shù)據(jù)后再經(jīng)串口將其傳到上位機。圖1右邊所示為接收節(jié)點的電路框圖，其硬件電路由RF收發(fā)器、液晶顯示電路、MCU模塊、3.3 V電源電路、USB轉(zhuǎn)串口電路組成。接收節(jié)點中的RF收發(fā)器、液晶顯示、3.3 V電源電路與采集節(jié)點的電路設(shè)計相同。為了數(shù)據(jù)傳送的方便，節(jié)點采用FT232芯片來實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能的電路。此外，采集節(jié)點的電源可由USB數(shù)據(jù)線的5 V電源接口直接提供。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的下位機是采集節(jié)點和接收節(jié)點的軟件開發(fā)，系統(tǒng)的下位機軟件實現(xiàn)讀取TLC549的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去、數(shù)據(jù)接收、串口傳輸?shù)墓δ?。其中，呼吸信號采集和發(fā)送部分下載到發(fā)送節(jié)點中，數(shù)據(jù)接收、串口傳輸部分下載到接收節(jié)點中。當(dāng)片選信號有效時,TLC549啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果由數(shù)據(jù)線串行輸出，CC2530的I/O口提供時鐘并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。兩節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸采用TI的Basic RF協(xié)議，Basic RF是Z-Stack的簡化協(xié)議，能完成點到點的無線數(shù)據(jù)傳輸。

上位機是基于VC++的MFC平臺開發(fā)的人機交互界面，其功能是將接收到的電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的呼吸參數(shù)并顯示在界面中。上位機實現(xiàn)的功能有：實時采集電壓值、總測試時長、總呼吸次數(shù)、呼吸頻率、呼吸暫停時長、呼吸暫停報警、電壓波形顯示。上位機最主要的內(nèi)容是串口編程，當(dāng)按下開始測試按鈕時，系統(tǒng)初始化串口和時間，并打開串口等待數(shù)據(jù)。當(dāng)收到1個字節(jié)數(shù)據(jù)后串口函數(shù)響應(yīng)，通過閾值判定法計算人體的呼吸次數(shù)，調(diào)用繪圖函數(shù)繪制電壓波形圖，并實現(xiàn)系統(tǒng)其它功能。圖2所示為上位機流程圖，右邊是數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)流程圖。

圖2 上位機流程圖

3 系統(tǒng)測試

為了探究濕度傳感器的性能，本文采用LCR電橋采集了傳感器的濕敏響應(yīng)數(shù)據(jù)和響應(yīng)恢復(fù)時間。如圖3所示，傳感器在相對濕度從97.5 %RH變化到11 %RH的過程中，響應(yīng)時間是950 ms。傳感器在相對濕度從11 %RH變化到97.5 %RH的過程中，恢復(fù)時間是1 s。從濕度傳感器響應(yīng)恢復(fù)時間看，該傳感器能夠滿足呼吸功能檢測要求的性能。

為了驗證方案的可行性，制作了相應(yīng)的實驗裝置，對人體的呼吸參數(shù)進(jìn)行測試。實驗裝置包括帶有濕度傳感器的呼吸面罩、硬件電路、上位機軟件。邀請了5名同學(xué)參加呼吸功能檢測，并統(tǒng)計了5個人的測試參數(shù)和實際呼吸參數(shù)(表1)。每人的測試時間均為60 s，系統(tǒng)每間隔10 s計算當(dāng)前的呼吸頻率。

圖3 傳感器響應(yīng)時間和恢復(fù)時間

表1 呼吸功能測試表

由表1可看出：測試的呼吸次數(shù)與實際的呼吸次數(shù)相同，測試的呼吸頻率與實際的呼吸頻率最大相差為1次/min。通過測試驗證表明:該呼吸系統(tǒng)能實時準(zhǔn)確地檢測人體的呼吸功能參數(shù)。

4 結(jié) 論

基于納米材料濕度傳感器的無線呼吸檢測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、準(zhǔn)確率高、無線監(jiān)控、便于攜帶等優(yōu)點。危重病人、傳染病人、老年人使用該系統(tǒng)進(jìn)行呼吸功能檢測，不僅能實時地監(jiān)測到其呼吸功能的突發(fā)狀況，減少醫(yī)療事故，還能降低醫(yī)務(wù)人員的感染風(fēng)險。該系統(tǒng)帶給病人和老年人更加方便快捷、準(zhǔn)確的呼吸檢測方案。

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Wireless respiration detection system based on fast response humidity sensor*

FAN Lin， CHEN Xiang-dong, LI Ning

(School of Information Science & Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Real-time detection of respiration is very important for people with respiratory dysfunction.The respiration detection system based on nanomaterial humidity sensor and Zig Bee wireless network technology is designed.This system consists of four parts (that is,humidity sensor probe,data collection node,data receiver node,respiration detection software developed by MFC platform based on VC++.This system achieves functions of record of respiratory frequency,apnea alarm,real-time display of respiratory signal waveform,etc.The effectiveness of system has been verified through experiments with several volunteers.Respiration detection system has advantages of fast response and recovery,shortness of breath can be detected,little outside interference,wireless detection,high portability,etc.

detection of respiration; humidity sensor; Zig Bee; upper computer

10.13873/J.1000—9787(2015)03—0084—03

2014—07—27

國家自然科學(xué)基金資助項目(61171050)

TN 98

A

1000—9787(2015)03—0084—03

范 霖(1991-)，女，四川綿陽人，碩士研究生，主要研究方向為傳感器與智能信息獲取。