基于快速响应湿度传感器的无线呼吸检测系统*

范 霖， 陈向东， 李 宁

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

基于快速响应湿度传感器的无线呼吸检测系统*

范 霖， 陈向东， 李 宁

(西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031)

呼吸功能的实时检测对有呼吸功能障碍的人群十分重要。基于纳米材料湿度传感器和Zig Bee无线网络技术设计了一种呼吸检测系统，该系统由四部分组成：湿度传感器探头、数据采集节点、数据接收节点、基于VC++的MFC平台开发的呼吸功能检测软件。系统实现了呼吸频率记录、呼吸暂停报警、呼吸信号波形实时显示等功能。实验对几位志愿者进行呼吸功能检测，验证了系统的有效性。呼吸检测系统具有响应和恢复快、能够检测急促呼吸、受外界干扰小、无线检测、携带性强等特点。

呼吸功能检测； 湿度传感器； Zig Bee； 上位机

0 引 言

呼吸疾病患者、器官严重病变的病人、老年人容易出现呼吸异常甚至呼吸衰竭的情况，这些人群需要对呼吸功能进行密切观察[1]。在对传染病患者进行呼吸检测时医务人员很容易受到病菌的感染,但是远程监控系统能适当降低医务人员的感染风险[2]。呼吸频率是衡量呼吸功能的重要参数，检测呼吸频率的常用方法是检测鼻腔气流温度和胸腔压力[3]。温度传感器[4]是检测鼻腔气流温度的常用装置，其结构简单、能重复使用，但是当病人呼吸微弱或者环境温度和体温相近时温度的变化很小，装置的灵敏度会受到影响不利于检测。检测胸腔压力采用压力传感器[5]，压力传感器的灵敏度高，可以监测胸腔的微弱运动，但是易受人体行动的干扰，影响其监测精度。

为了解决前两种检测方法的缺点，本文设计了采用湿度传感器来检测呼吸频率的方案。本设计采用基于纳米材料的湿度传感器作为探头，这种无线呼吸检测系统不仅结构简单、响应和恢复时间短，而且采用Zig Bee无线通信节点[6]传输数据，不但能降低医务人员的感染风险，而且布线简单，方便病人携带。

1 呼吸系统设计原理

呼吸检测系统的原理是：人体呼气时，呼出的气体含有的水分会引起鼻腔周围湿度的变化，湿度传感器实时地采集鼻子附近的湿度数据，再经过后端处理得到相应的呼吸频率等数据。该系统就是利用A/D转换得到湿度传感器的电压值，从而判断人体的呼吸情况。

人类单次呼吸时长为3～6 s，因此,湿度传感器的响应时长与恢复时长分别应控制在3 s以内[1],这样高灵敏度的传感器才能准确地采集鼻腔周围的湿度变化数据，进而准确反映人体的呼吸状况。常用的湿度传感器多采用聚酰亚胺等传统材料作为感湿层，这些传感器的灵敏度低，响应时间长，多在15 s以上，可测量湿度范围窄，显然无法满足呼吸功能检测的要求[7,8]。因此，本文设计采用实验室制备的基于纳米材料的湿度传感器，该纳米材料具有很好的亲水特性，其响应和恢复时间为1 s左右。

2 系统设计

2.1 系统构成

无线呼吸频率检测系统由四部分组成：基于纳米材料的湿度传感器探头、数据采集节点、数据接收节点、上位机。含有湿敏薄膜的叉指电极作为湿度传感器探头和一个电阻器串联，并在叉指电极和电阻器两端加上2 V的恒压源。采集节点上的A/D转换电路采集串联电阻器上的电压，将呼气时的气流湿度转换成对应的电压数据，并采用Zig Bee无线网络将数据发送给接收节点。接收节点接收到电压数据后经串口将数据传到PC，PC的上位机处理电压数据，并将得到呼吸的频率和其它呼吸参数显示在界面中。

2.2 系统硬件电路设计

系统的硬件电路由采集节点和接收节点组成，节点之间采用Zig Bee无线网络进行通信，电路设计实现了硬件的模块化。

采集节点负责采集传感器探头的电压数据，然后通过无线网络发送给接收节点。图1左边为采集节点的电路框图，其硬件电路由传感器探头、3.3 V电源电路、A/D转换电路、液晶显示电路、MCU模块组成，其中，MCU模块集成了RF收发器。电压的采集电路主要由TI公司的TLC549芯片和外围电路组成。一般串行输出的A/D转换芯片多选用I2C接口或SPI接口，MCU通过这两种接口读取转换数据时需要用I/O口模拟通信时序。TLC549采用了三线串行接口的方式与MCU通信，包括时钟线、数据线、片选信号线，这种通信方式比I2C，SPI时序更易实现并且能节省部分MCU资源。由于采集节点中TLC549和微处理器CC2530的工作电压均为3.3 V，所以，该节点采用TPS79533芯片设计了5～3.3 V的电源管理电路。节点中显示数据的液晶是并行接口，但数据是由CC2530的一个I/O口串行输出的，所以，节点采用74HC595设计了串行到并行数据的转换。

图1 节点电路框图

接收节点使用RF收发器接收到电压数据后再经串口将其传到上位机。图1右边所示为接收节点的电路框图，其硬件电路由RF收发器、液晶显示电路、MCU模块、3.3 V电源电路、USB转串口电路组成。接收节点中的RF收发器、液晶显示、3.3 V电源电路与采集节点的电路设计相同。为了数据传送的方便，节点采用FT232芯片来实现USB转串口功能的电路。此外，采集节点的电源可由USB数据线的5 V电源接口直接提供。

2.3 系统软件设计

系统软件的下位机是采集节点和接收节点的软件开发，系统的下位机软件实现读取TLC549的数据，将数据发送出去、数据接收、串口传输的功能。其中，呼吸信号采集和发送部分下载到发送节点中，数据接收、串口传输部分下载到接收节点中。当片选信号有效时,TLC549启动转换，转换结果由数据线串行输出，CC2530的I/O口提供时钟并读取转换结果。两节点之间的数据传输采用TI的Basic RF协议，Basic RF是Z-Stack的简化协议，能完成点到点的无线数据传输。

上位机是基于VC++的MFC平台开发的人机交互界面，其功能是将接收到的电压数据转换成对应的呼吸参数并显示在界面中。上位机实现的功能有：实时采集电压值、总测试时长、总呼吸次数、呼吸频率、呼吸暂停时长、呼吸暂停报警、电压波形显示。上位机最主要的内容是串口编程，当按下开始测试按钮时，系统初始化串口和时间，并打开串口等待数据。当收到1个字节数据后串口函数响应，通过阈值判定法计算人体的呼吸次数，调用绘图函数绘制电压波形图，并实现系统其它功能。图2所示为上位机流程图，右边是数据处理的详细流程图。

图2 上位机流程图

3 系统测试

为了探究湿度传感器的性能，本文采用LCR电桥采集了传感器的湿敏响应数据和响应恢复时间。如图3所示，传感器在相对湿度从97.5 %RH变化到11 %RH的过程中，响应时间是950 ms。传感器在相对湿度从11 %RH变化到97.5 %RH的过程中，恢复时间是1 s。从湿度传感器响应恢复时间看，该传感器能够满足呼吸功能检测要求的性能。

为了验证方案的可行性，制作了相应的实验装置，对人体的呼吸参数进行测试。实验装置包括带有湿度传感器的呼吸面罩、硬件电路、上位机软件。邀请了5名同学参加呼吸功能检测，并统计了5个人的测试参数和实际呼吸参数(表1)。每人的测试时间均为60 s，系统每间隔10 s计算当前的呼吸频率。

图3 传感器响应时间和恢复时间

表1 呼吸功能测试表

由表1可看出：测试的呼吸次数与实际的呼吸次数相同，测试的呼吸频率与实际的呼吸频率最大相差为1次/min。通过测试验证表明:该呼吸系统能实时准确地检测人体的呼吸功能参数。

4 结 论

基于纳米材料湿度传感器的无线呼吸检测系统具有结构简单、响应和恢复时间短、准确率高、无线监控、便于携带等优点。危重病人、传染病人、老年人使用该系统进行呼吸功能检测，不仅能实时地监测到其呼吸功能的突发状况，减少医疗事故，还能降低医务人员的感染风险。该系统带给病人和老年人更加方便快捷、准确的呼吸检测方案。

[1] 黄子通,周明根.危重症呼吸系统监测[J].新医学,2008,39(2):124-125.

[2] 蔡敬海,安志勇,段 洁.基于AT90S8535单片机的新型呼吸频率检测计的设计[J].仪器仪表用户,2008,15(5):53-55.

[3] 刘官正,吴 丹,梅占勇,等.基于体域网的动态呼吸监测系统设计[J].中国生物医学工程学报,2012,31(2):316-320.

[4] 吴 丹,徐效文,王 磊,等.穿戴式动态睡眠呼吸监测系统的设计[J].传感技术学报,2010,23(3):322-325.

[5] 邵秀稳.睡眠呼吸暂停综合症的检测与远程监护[D].广州：华南理工大学，2011:9-10.

[6] 郭国法,王 宁,张开生.基于Zig Bee的高速公路限速系统研究[J].微电子学与计算机， 2014， 31(5):147-150.

[7] Feng J,Peng L,Wu C,et al.Giant moisture responsiveness of VS2 ultrathin nanosheets for novel touchless positioning interface[J].Advanced Materials,2012,24(15):1969-1974.

[8] Yin H,Yu K,Peng H,et al.Porous V2O5micro/nano-tubes:Synthesis via a CVD route,single-tube-based humidity sensor and improved Li-ion storage properties[J].Journal of Materials Chemistry,2012,22(11):5013-5019.

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

国家自然科学基金资助项目(61171050)

TN 98

A

1000—9787(2015)03—0084—03

范 霖(1991-)，女，四川绵阳人，硕士研究生，主要研究方向为传感器与智能信息获取。