一种智能化人体健康信息监测与交互系统设计*

刘 丹，王羽徵，毕 海，程 远

(1.大连海洋大学 信息工程学院，辽宁 大连 116000；2.中控智慧股份有限公司，辽宁 大连 116000；3.近海(大连)生态发展有限公司，辽宁 大连 116000)

0 引言

当今，社会生活等各方面压力易对人的身体健康造成不良影响，忙碌的生活使得大多数人没有时间经常体检，从而为染上恶性病症埋下较大隐患。因此，自助式的便携生理信息监测设备毫无疑问是当今社会忙碌生活所必需的自我体检设备。体积小巧的便携式生理信息监测设备可以实时、方便地获得体温和心率等关键生理信息，并通过附带的自检网址进行结果分析，实现便捷的关键信息检查，不仅节约了人力物力，还呵护了人们的健康，普及医学常识。

国外相关机构对于生理信息监测的研究多是基于物联网的架构化(The Architecture of the Internet of Things)进行健康监测分析[1]，以及基于手机APP的C/S健康监测系统开发，信息传输主要采用近场无线传输(Short-range Wireless Transmission)技术，涉及无线局域网(Wireless Local Area Networks WLAN)、ZigBee技术、蓝牙传输(Bluetooth Data Transmission)等，多是远程控制和可穿戴设备的结合[2-3]。国内则是商业化的产品较多，例如实时便携式血糖仪、红外感应温度计等。国内大多数健康监测仪器多有界面复杂、测量不精确、难以修理等突出问题，因此本设计注意精简系统结构、合理选择元器件并设计简洁的操作界面。本设计通过温度传感器(例如热敏电阻、测温棒等)和心率采集器(例如光电门、红外发射接收器等)采集生理信号，经过滤波放大后交给控制中枢分析结果并反馈给用户，用户再根据提示进入医疗网站获取更多相关信息。

1 监测与交互系统原理

采用低成本、微体积的单片机，利用光电传感器(optical sensor)和温度传感器(temperature sensor)收集心率和体温信息，经过滤波放大电路，送到开发板主控芯片中，再由开发板控制GSM模块给用户的手机发送信息，信息内容包括体温和心率数据以及附加的自检网址。这种交互式的一站式设计能显著改善用户体验。整个系统的原理框图如图1所示。

图1 智能化人体健康信息监测与交互系统原理框图

本系统中，温度传感器采用DS18B20，心率传感器则使用ST188红外对管，GSM模块选择常用的SIM800C，滤波电路和放大电路分别采用典型的RC滤波电路和LM358双运算放大器。为了保证用户在不依赖GPRS和WiFi信号的情况下也能正常使用本系统，故采用GSM发信方式，选择典型的SIM800C模块作为发信器。具体电路设计如下。

1.1 体温数据采集

DS18B20温度传感器具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、精度高、附加功能强等特点。由于其温度误差较小且可以通过程序控制，故而使得结果更加精确，此外，DS18B20还可以通过端口直接供电，不必额外设置电源部分。温度传感器与单片机的连接方式如图2所示。

图2 DS18B20连接单片机

1.2 心率(脉搏)数据采集

ST188为光电式传感器，根据其电气特性，选取发射管的静态电流为20 mA。取标称电阻R=200 Ω，此时的电流会小于20 mA，但是不影响结果。CE端的电阻比较灵活，该电阻是用来输出高低电平的，通常接一个活动变阻器，方便调节阈值电压[4-5]。ST188连接方式如图3所示。

图3 ST188连接方式

1.3 数据发送

SIM800C节省空间，能适用于各种便携型产品设计需求。它含有TTL电平接口，能够实现打电话、发短信、GPRS传输数据、TTS、蓝牙(部分软件版本不支持)等功能[6]。本系统的SIM800C连接电路如图4所示。

图4 SIM800C连接方式

2 系统软件设计

本系统的软件主要包括主控芯片的流程设计和GSM子模块的流程设计，具体设计如下。

2.1 主控芯片流程设计

传感器采集到的温度数据，由DS18B20进行数模转换后，直接显示在液晶屏上；采集到的心率数据要先进行滤波、放大和量化处理，再传入主控芯片，主控芯片对心率是否异常做出判断。如果心率异常，则声光报警电路响应，同时主控芯片控制SIM800C向用户手机发送相应的信息；如果心率正常，则显示心率数据。主控芯片具体流程图如图5所示。

图5 主控芯片流程图

2.2 GSM子模块的程序流程图

在实际操作时，需要用户先输入“PHONE SMS+手机号”进行绑定，否则GSM搜寻不到收信方，无法完成数据传送。发送的短信内容需要在程序中事先设定，将待发送字符串转换成十六进制，在字符转换表中可以找到一一对应的字符意义[7]。具体流程图如图6所示。

图6 GSM子模块程序流程图

3 系统调试

在无电源供电情况下，插入移动或联通的SIM卡。启动后SIM800C模块初始化成功并发送AT指令绑定手机号码。

(1)温度测试。首先测试室内温度，将防水DS18B20用酒精消毒，放置到屏幕显示室温，室温显示为25.9 ℃。随后再握于手心，显示体温计为35 ℃。

(2)心率测试。心率阈值由按键1、2、3进行设置，如图7所示。手指按压部分为按键1，从左至右依次为按键2和按键3。按键1进入最低心率阈值设置，按键2可将数值依次增加，按键3可将阈值依次减小，最低心率阈值设置为60次/min；再次按下按键1可调整最高阈值，按键2和按键3操作同理，此时最高心率阈值闪烁(100呈现出模糊状态)；最后按下按键1回到测量界面。

图7 心率阈值的设置

将手指放在ST188芯片上，保持水平(手肘与心脏大致在一条水平线上)，调节102电阻，使得人体心跳频率与发光二极管闪烁频率一致，如图8所示。按下按键3，进入心率测试。将手指放在ST188芯片上，显示心率在60～100内即为正常值，此时不报警，如图9所示。此时的温度为室温。

图8 心率测试的准备

图9 心率测试结果

系统会根据心率具体数值采取措施，心率大于100次/min或者小于60次/min将发送信息提示，并伴有指示灯闪烁和蜂鸣器响，分别如图10和图11所示。数据测试完毕，SIM800C会将测试结果以及自检网址发送到手机上，如图12所示。

图10 心率过高，警示灯闪烁

图11 心率过低，警示灯闪烁

图12 心率异常信息显示

点击进入该网页界面，界面样式如图13所示，用户可以访问该网页所引导的各种链接，同时可以直接预约医疗服务。

图13 健康信息监测交互界面

4 结论

本文研究了一种智能化人体健康信息监测与交互系统。该系统以52单片机作为平台，DS18B20作为体温数据收集器，ST188作为心率(或脉搏)数据采集器，LM358作为心率/体温信号放大电路，滤波方式则使用传统的RC滤波。采集到的人体生理信号，经过滤波放大后交给控制中枢分析结果并反馈给用户，用户再根据提示进入医疗网站获取更多相关信息，具有使用方便、成本低、测量精确、用户交互性高等优点。未来工作可进一步参考手环测血氧、血压、计步的原理，进行相应的功能扩展。