雾霾预警及人体健康建议智能穿戴设计

王金龙 齐天 王彩霞

摘 要：为解决人体呼吸频率检测多应用于临床的现状，文中设计了一种基于STM32F407单片机的可穿戴设备，使用非接触式方法测量人体呼吸频率，并通过WiFi/4G网络实时上传至云端服務器或移动端设备，结合实时PM2.5指数，对人体健康防护提出预警。被测者只需穿戴该特制背心，便可获得数据，供医生和潜在呼吸等疾病患者参考。系统包括硬件设计和软件设计，数据传输效果好，测得数据精度高，运行稳定。

关键字：非接触检测;呼吸频率;可穿戴设备;STM32F407;雾霾预警;临床应用

中图分类号：TP271文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

随着近年来我国空气质量的恶化，雾霾天气逐渐增多，人体呼吸系统的影响尤为明显，因此可从测定心率和呼吸频率这两个能够表现人体呼吸系统健康的两个重要因素着手[1-3]监测人体健康数据。手机的发展已不再是通信终端，还包含了许多生活、工作中必备的功能，用户对手机依赖度不断提升。随着智能手机和手机应用的日渐普及，Android的崛起逐渐呈现出一个动态局面。4G的广泛存在使得信息服务形成一个以受众为中心，网络全方位覆盖、业务全能力提供、终端全形态呈现的全媒体信息网络。受众可在任何时间、地点利用任何终端享有全媒体的信息服务。随着人们生活水平的提高，健康问题成为人们关注的重点，智能机和高速网络的大范围普及成为人们关注健康的最便捷途径[4-5]。由于Android手机的普遍性越来越强，已有部分厂商开发出类似APP能够实时显示PM2.5及天气指数，也有相关APP可通过摄像头单独采集人体心率指数，如天气通、Heartrate等。一些厂商基于Android平台开发出相关硬件产品。如小米手环、Jawbone等，它们一般都适用于健康人群的运动指标，如计步、运动卡路里指数消耗和睡眠指数监测等。但两者并未相互结合，这类智能仪器的最大问题在于其同步并不是无线和实时的，需要通过接口和手机平板之间进行传输，并同步数据，才能获得结果。因此智能手环还不如手机自带的健康运动应用程序，或专业的卡路里计步器。而APP市场的各种健康软件，并没有做到结合人体指标和外界因素做出合理建议，即使苹果公司推出了iWatch并连接iPhone提供实时监控，也没做到对不同个体提出个性化建议。本设计将软件部分和硬件部分相结合，通过硬件部分对人体指标监测，并传送给APP，并由APP与相关天气指数相结合，根据用户个人相关的身体情况，推送出更为合理的健康建议[4]。

1 雾霾对人体健康影响

近些年肺癌的得病率呈很大的上升趋势， 特别是对于患有呼吸系统疾病的人，雾霾天气对其影响尤为显著[5]。雾霾中有毒物质达二十多种，包括酸、碱、盐、胺酚、尘埃、花粉、螨虫、结核杆菌、肺炎球菌等，其含量是普通大气水滴的几十倍。雾霾中主要对人体造成危害的是PM2.5。PM2.5所含的细微颗粒物可进入细支气管、肺泡，再通过肺泡壁进入毛细血管，进而进入整个血液循环系统，严重危害人体健康。人长期处于雾霾天气中，可能会引发急性上呼吸道感染等各种呼吸系统疾病。特别是对于患有呼吸系统疾病的人，雾霾天气对其影响尤为显著[6]。PM2.5指数对人体健康影响见表1所列。

2 系统设计

本研究针对雾霾天气进行预警，并能对人们生活和身体健康提出一定的建议。使用Android移动终端下载国家权威部门发布的雾霾PM2.5指数，并实时监测用户的心率和呼吸等生理指标，将两者数据综合，对用户的身体状况进行综合评估，并在此基础上对用户的生活和起居给出建议。技术关键包括：

（1）对生理指标进行方便实时的采集与传输;

（2）建立基于统计大样本的模糊评价模型;

（3）软硬件的嵌入与融合。本系统分为软硬件两部分，其中软件为基于Java开发的Android应用;硬件部分为人体呼吸指标监测部分，采用非接触式测量方式自动获取数据，滤波处理后的数据经云平台传输到移动端，从而获取呼吸频率。该设计适用于中老年及呼吸、心脑血管疾病患者的日常健康监护。此类患者患有慢性疾病，不适合长期住院治疗，在家中则需要专人看护。本产品对使用者部分生理指标进行不间断实时监测，并针对实时雾霾指数提出建议，可部分替代专人看护，具有较好的研究意义。

目前国家日益重视雾霾防治，人民大众日益重视健康，因此本研究项目和生产推广将带来较高的经济效益;针对实时天气指标，特别是PM2.5指标值，对用户个体进行个性化预警信息预报和推送。同时收集了部分数据，并对相关数据展开了初步分析，通过Android平台软件的开发与实现，包括软件开发测试运行、硬件开发及软硬件联机测试、可穿戴式硬件设计制作、MCU程序设计、电路设计和户穿戴贴身式背心等。

系统流程主要由以下七个部分构成，如图1所示。硬件端设计智能穿戴用于采集人体呼吸频率数据，并通过云端接口将数据传送给手机端，同时手机端通过摄像头采集人体心跳频率数据，并调取中国气象网接口请求本地实时PM2.5数据后，将三个数据进行汇总，进行统计分析，对比数据库，匹配合理健康建议，最终通过手机端APP推送给用户。

3 硬件设计

硬件设计分为两部分：一部分是传感器设计，用于采集人体呼吸频率指标;另一部分是云平台搭建。硬件部分使用STM32F407系列单片机，该款芯片具体参数等已在文章《基于STM32单片机激光压制追捕系统设计》中有详细介绍，云平台的搭建采用在STM32单片机外设接WiFi模块，使用庆科基带移植，机智云平台数据传输，经专用API接口传输至Android手机APP中[7-8]。

传感器部分采用平板电容器模型：

式中：C为电容，ξ为电容率，S为极板正对面积，d为平板垂直距离。人体呼吸过程中由于胸腔内人体器官组织在呼气和吸气过程中的变化，会引起电容率ξ的变化，从而使电容C改变。因此只要检测出电容C的变化，便可得到人体呼吸频率，呼吸频率测量传感器模型如图2所示。

测量电容C电路采用ne555芯片构成多谐振荡器，电路如图3所示。通过多谐振荡电路触发脉冲接入STM32单片机得到电容充放电时间，再通过计算可得到电容大小变化[9-12]。

实验室数据测试阶段使用示波器观察到的波形图如图4所示，该波形经Matlab处理后的数据如图5所示。该波形是分别测得的三组人体呼吸数据，可表示人体呼吸频率曲线，实验证明该设备可收集到准确的数据。

最后通过串口程序，经WiFi传输至云端，便可实现呼吸频率采集工作。

4 成品图

实验室成品图测试和可穿戴成品图分别如图6和7所示。实验室测试阶段采用金属极板作为点击测试，成品阶段使用弱性导电防辐射布料作为电极，测试效果均达到理想效果。

5 结 语

本设计最重要的创新点是将硬件与软件相结合，使用户在使用过程中能与自身相结合，更适合个人应用，符合目前的物联网潮流。即有硬件收集个人数据并传输给软件段进行处理，用户能方便地获取信息。

该产品适用于中老年及患有呼吸、心脑血管疾病患者的日常健康监护。此类患者患有慢性疾病，不适合长期住院治疗，而在家中则需要专人看护。本产品对使用者部分生理指标进行监测，并针对实时雾霾指数提出建议，可部分替代专人的看护，同时目前国家日益重视雾霾防治，人民大众日益重视健康，具有重要的现实意义。

参 考 文 献

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