呂洋

（中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南長沙，410000）

0 引言

隨著我國人口老齡化的快速發(fā)展，獨守“空巢”的老人日益增多，他們的身體健康問題令人堪憂，能在遠(yuǎn)程及時了解他們的健康狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時就醫(yī)成為家人的迫切愿望。該產(chǎn)品利用Arduino知識、傳感器技術(shù)、C語言程序、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、3D打印技術(shù)等知識，研制出一種價格低廉、便于攜帶、適用廣泛的生命體征遠(yuǎn)程監(jiān)測裝置，可以隨時隨地監(jiān)看到獨居老人的生命體征數(shù)據(jù)，當(dāng)有指標(biāo)超標(biāo)時，實現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程報警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)將采集到的脈搏等模擬數(shù)值通過模擬端口直接傳輸?shù)街醒胩幚砥鰽rduino，這些模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的算法計算出反映生命體征的各個數(shù)據(jù)，這些體征數(shù)據(jù)通過串口輸出至上位機，通過processing軟件將參數(shù)曲線圖顯示出來，系統(tǒng)將各個體征數(shù)據(jù)與設(shè)定的正常值進(jìn)行比較，當(dāng)指標(biāo)不在正常值范圍時，該裝置通過判斷語句運行報警程序，蜂鳴器輸出報警音頻。系統(tǒng)同時將實時生命體征數(shù)據(jù)通過ESP8266模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺對收到的生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲存、判斷，當(dāng)接收到的數(shù)值達(dá)到在物聯(lián)平臺設(shè)置的報警閾值時，物聯(lián)網(wǎng)平臺直接發(fā)送郵件或微博等信息到親屬的手機上，實現(xiàn)手機報警。通過互聯(lián)網(wǎng)，用戶隨時隨地可以使用手機、平板或PC登錄物聯(lián)網(wǎng)平臺或掃描分享的二維碼快速方便的實時查看生命體征數(shù)據(jù)以及記錄的歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多點實時共享。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

■2.1 硬件電路

脈搏信號的檢測原理簡單且具有代表性，對其做進(jìn)一步的計算分析，還可以得到心率變異等其他生理參數(shù)。其他如體溫、血氧等的傳感器接入原理一致，因此硬件連接我們只接入脈搏傳感器，以脈搏傳感器的接入實現(xiàn)生命體征遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研制。

將脈搏傳感器的正極端接到Arduino板的5V接口，負(fù)極端接到GND，S端連接到模擬口A0。

■2.2 脈搏傳感器模塊

這款心率傳感器體積小巧，可以對身體的不同部位進(jìn)行測試。本傳感器采用光電容積法，測量準(zhǔn)確。光電容積法是利用人體組織在每次心臟泵血時通過身體外周造成透光率不同來進(jìn)行脈搏測量。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也是隨著心臟的搏動發(fā)生周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏心率。

圖2

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

■3.1 使用Pulse sensor進(jìn)行心率采集算法

心率是一分鐘內(nèi)人體的心跳次數(shù)，如果能測量出相鄰兩次脈搏的時間間隔（ms），用一分鐘除（60000ms)以這個間隔就能計算出心率。由此引出了IBI 和 BPM 兩個值的概念,IBI就是相鄰兩次脈搏的時間間隔（單位：ms），BPM就是心率，一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)。BPM = 60000 / IBI。

只有能識別出一個脈搏，才能計算出兩個相鄰脈搏之間的時間間隔。在編寫程序時可以通過檢測脈搏波的波峰來識別脈搏，設(shè)定一個參考值，當(dāng)讀取到的信號值大于或等于這個參考值時便可以認(rèn)為檢測到一個脈搏。但是經(jīng)過多次測試，每次波形的振幅大小不一，不同的測試部位，參考值也不同，所以不能用大于或等于一個固定的參考值來判斷波峰的識別。

通過對多個周期信號輸出的振幅值分析，可以采集到信號的振幅的最高值與最低值，取最高值與最低值的平均值作為參考值，再用這個參考值閾值對采集的電壓值進(jìn)行比較判定，大于或等于這個參考值，識別一次波峰。使用時間函數(shù)對一次脈沖的開始和結(jié)束分別計時，差值就是IBI的值。利用數(shù)組記錄10組IBI的值，再取這10個IBI的平均值，以獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，最后用60000除以IBI的值便計算出心率BPM的值。

主要代碼如下：

■3.2 ESP8266模塊

物聯(lián)網(wǎng)不但是新一代信息技術(shù)的重要組成，而且是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是：“Internet of things（IoT）”。物聯(lián)網(wǎng)實際就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)是互聯(lián)網(wǎng)，只不過用戶端實現(xiàn)了任何物品與物品之間都可以進(jìn)行信息交換和通信。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)等通信感知技術(shù)，被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

ESP8266 系列芯片是樂鑫信息科技在 2015 年推出的一款 WiFi芯片，這款芯片集成度高、功耗低、使用簡便，因此在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了肯定，是實現(xiàn)基于 WiFi 遠(yuǎn)程控制的最好選擇。

它的大小類似于一張標(biāo)準(zhǔn)的SD卡的尺寸，可以把用戶的物理設(shè)備連接到 Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。使用ESP8266聯(lián)網(wǎng)設(shè)置時，通過管腳的暫時接地，把它本身當(dāng)作熱點，用手機smartconfig軟件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)參數(shù)的寫入，來實現(xiàn)wi fi連接、網(wǎng)絡(luò)通迅。

■3.3 使用ESP8266模塊與物聯(lián)網(wǎng)建立遠(yuǎn)程聯(lián)接

ESP8266模塊支持softAP模式、station模式、softAP+station三種模式，這里使用 softAP模式，即把 ESP8266 當(dāng)作一個WiFi 熱點，使用手機APP Smart Config 軟件將聯(lián)網(wǎng)參數(shù)寫入到ESP8266芯片，實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程連接。

■3.4 本地報警處理子程序

當(dāng)心率數(shù)據(jù)不在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)程序根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的報警閾值條件，數(shù)字口D6循環(huán)輸出高低電平，蜂鳴器進(jìn)行雙音報警。當(dāng)心率數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，D6輸出低電平，報警停止，返回正常檢測。

圖3

圖4

4 軟硬件調(diào)試及測試

■4.1 串口數(shù)據(jù)通過上位機顯示心率曲線

通過Arduino USB端口連接到計算機，使用可視化圖形軟件Processing來顯示心率曲線。

■4.2 與遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)的調(diào)試與測試

通用物聯(lián)網(wǎng)平臺，一般主要提供傳感器數(shù)據(jù)的接入、儲存和輸出等服務(wù)，它為所有的開源愛好者提供一個物聯(lián)網(wǎng)平臺。

圖5

貝殼物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一個能夠讓用戶與智能設(shè)備溝通更方便的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，用戶可以通過該平臺查看實時數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)實際需要設(shè)置相應(yīng)的報警閾值，當(dāng)實際數(shù)值達(dá)到設(shè)定的閾值時，物聯(lián)平臺就可以通過APP、郵件、短信、微信等方式通知用戶。

登陸物聯(lián)平臺，根據(jù)ESP8266 設(shè)備編號DEVICEID和設(shè)備密碼APIKEY，添加心率傳感器監(jiān)測設(shè)備。

■4.3 緊急一鍵呼救功能

當(dāng)老人感到身體不適時，可以使用一鍵呼救功能進(jìn)行快速報警。當(dāng)開關(guān)被壓下后，數(shù)字口得到高電平，通過判斷語句使本地蜂鳴器進(jìn)行報警，同時向物聯(lián)平臺發(fā)送某一特定數(shù)值，在物聯(lián)平臺對這一特定值的進(jìn)行遠(yuǎn)程報警設(shè)置，這樣就可以將報警呼救信息發(fā)送至親屬的手機中，從而實現(xiàn)緊急一鍵呼救功能。

5 使用3D立體打印技術(shù)設(shè)計并制作外觀模具

該裝置的外觀采用SketchUp軟件建模，根據(jù)電路板及內(nèi)置原件的尺寸，建造88mm×62mm×57mm的長方體模具。

6 總結(jié)

■6.1 主要創(chuàng)新點

（1）該系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了生命體征參數(shù)的實時測量、遠(yuǎn)程監(jiān)看、一鍵遠(yuǎn)程呼救、云端存儲、分析數(shù)據(jù)、提示報警、共享數(shù)據(jù)等多種功能。

（2）相對于傳統(tǒng)設(shè)備而言，該系統(tǒng)成本低廉、體積小巧、易于攜帶、云端數(shù)據(jù)的存儲功能方便快捷，用戶界面友好，尤其對于獨居老人可以進(jìn)行長期數(shù)據(jù)的監(jiān)測，并對健康數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（3）該系統(tǒng)支持多平臺，手機、平板、計算機等均可使用。

（4）該系統(tǒng)兼容性好，當(dāng)有新的傳感設(shè)備加入或者是刪除時，并不需要再對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置等繁瑣的操作，可快速接入云平臺，具有良好的擴展特性。

該成品有望普及進(jìn)入到大眾家庭，為更多的人提供更多的健康保障。伴隨著社會的發(fā)展，每個人都越來越重視自己的健康，這種設(shè)備必將有用武之處。

■6.2 后期可擴展之處

（1）增加血氧飽和度、體溫等傳感器，顯示生命體征數(shù)據(jù)更加完整。

（2）增加小型液晶顯示屏，顯示參數(shù)。

（3）增加語音模塊，對老人做語音健康提醒。

（4）在裝置內(nèi)增加鋰電池，防止暫時斷電，影響監(jiān)測。