一款基于多传感器的室内病床监护系统设计

饶宜迅，郭洛含，易永余

（杭州医学院，浙江杭州，310000）

0 引言

中国老龄人口越来越多，对于老人的身体健康监控也尤为重要，尤其是对老年人病床护理的监控，病床护理监控对老年人的身体健康，日常生活规律，生理健康指标进行统计，可以实时掌握老人的健康情况，给主治医生提供必要的数据，方便医生对老人健康指标进行预测，对老人精准化下药。同时也可以为护士提供老人生理指标曲线和老人的状态，方便护士对老年人紧急状况及时的发现，进行快速的处理，以防出现意外情况，这样就可以减轻护士的巡逻的次数从而减小护士的工作量，同时对老人健康管理会更加的精确，老人一旦出现意外，护士反应更加敏捷，综上这套系统可以减小人力成本，提高人工效率，对老人健康进行数字管理，可以精确的对老人病情掌握。因此，研究基于多传感器的室内病床监护系统显得很有必要。

1 系统总体框架

室内病床监护系统主要包括离床检测模块，数字温度传感器，心率传感器模块，数字血压监测模块，睡眠监测模块，呼吸监测模块，重力检测模块等多种生理特征传感器检测老人身体健康情况。这些传感器通过STM32F103C8T6进行运算，运算后通过WIFI上传到云、本地报警和本地显示。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 主要硬件电路介绍

室内病床监护系统的CPU使用的STM32F103C8T6,该CPU是意法半导体ST生产的一款微型CPU，具有72MHZ的晶振，内部集成很多与本系统相关的外设，集成内内部ADC转换模块，在室内病床监护系统中大部分传感器都是模拟量，通过前置的信号调制电路之后，可以直接输入到该CPU中，无需增加另外的ADC转换芯片，可以减小系统的造价成本；同时该CPU还集成了IIC，可以直接连接室内病床监护系统的屏幕，显示老人健康的信息；集成5对串口，一路可以本系统的WIFI模块连接，把老人生理指标的数据上传到后台数据中，另一路可以上传到本地电脑，实时的分析老人健康状态。通过这些外设可以使系统设计简单而可靠，成本价格低。STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如下图2所示。

图2 STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图

离床检测是室内病床监护系统中判断其他生理健康指标的先决条件，判断老人是否离开床位，如果未经监护人或医护人允许，会进行异常报警。离床检测主要根据根据HCSR501人体感应模块进行检测。当老人要离开床位时，会触发到第一个人体感应模块，此时第一个人体感应模块会输出高电平，此时系统不会报警，只是表明老人想要离开床，如果持续要离开床位，会触发第二个人体感应模块，同时也会输出高电平。证明老人已经离开床位，如果老人回归床位，则会首先触发第二个人体感应模块，然后触发第一个人体感应模块，CPU通过读取这两个传感器的电平和这两个传感器高电平的顺序，可以判断老人是否离开床位，是否回归床位，老人在床位的时间，离开床位的时间，离开床位的次数。电路图如图3所示。

图3 离床检测电路模块

人体体温检测是室内病床监护系统中检测生理健康指标的一个重要的指标，主要检测老人体温，来衡量老人是否处于健康的状态，根据实时体温画成曲线，发送到医生和护士端，可以辅助医护人判别老人的健康状态。检测体温主要使用红外非接触体数字温度传感器，用来测量人体体温，可以无触感的，实时对老人体温进行测量，省去了护士对老人人工量体温的繁琐，系统使用的数字温度传感器是I2C通信方式，由于该CPU内设是含有I2C的外设资源，从理论上，可以直接连接到CPU，但是为了数据的可靠性，该系统在电路上加了上拉电阻，电路图如图4所示。

图4 人体温度传感器电路模块

心率检测是室内病床监护系统中检测生理健康指标的一个重要的指标，心率检测是检测老人脉搏次数，该指标直接关系到老人的健康状况，该数据会同时显示到屏幕，护士，医生和监护人端中，一旦发生异常，该系统会马上报警，通知相关人员。老人心每跳一下，心率传感器就会输出一个高电平，所以心率传感器模块是一个输出开关量的传感器，为了准确的采集老人心率和数据的稳定性，提高抗干扰性，本系统引进光耦器件，光耦具有隔离提高干扰性和电平转换的功能。老人心不断打跳，传感器不断的输出+5V的脉冲，经过配置电阻网络，驱动光耦的发光二级管工作，PA6电的电压就不断输出+3.3V的电压脉冲，CPU通过读取+3.3V电压脉冲，来计算老人的心率，并通过屏幕显示出来。通过串口发送到后台数据中。电路图如图5所示。

图5 心率传感器电路模块

睡眠监测是室内病床监护系统中检测生理健康指标的一个重要的指标，是衡量老人睡眠质量的生理指标，因为人体睡眠的时候是相对静止的，在床垫上放入压电薄膜传感器，根据压电薄膜受力的分布，传感器传出不同的信号，可以得到人体是否在动，从而检测到老人睡眠质量的情况。传感器传出的信号是微弱的，而且是阻值信号，CPU不能识别到，需要进行信号调制，本系统使用了经典的两级信号放大和一级电压跟随进行信号调制，最后输出0～ 3.3V电平的信号，由CPU来读取，如图6所示。

图6 压电薄膜传感器电路模块

呼吸监测模块采用了一款0～ 40Kpa的压力传感器，该传感器是一个电压型的模拟量传感器，输出的电压信号，为了输出的电压信号更加稳定，添加了一个模拟量采集电路。将呼吸的压力信号转换成电压值进行输出，如图7所示。

图7 呼吸压力传感器电路模块

重力检测模块，桥式传感器输出的信号较小且是模拟量，因此需要信号放大和A/D转换。故采用专用型高精度24位A/D转换芯片HX711来实现信号放大和将模拟量转换成数字量。

通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。由于桥式传感器输出的信号较小，为了充分利用A/D转换器的输入动态范围，该通道的可编程增益较大，为128或64，如图8所示。

图8 重力压力传感器电路模块

由于单片机的I/O口驱动电流太弱，电路需要三极管来增加驱动电流让蜂鸣器响应。由图3可以看出，电路设计的原理是当单片机的I/O口为低电平的时候，发射极与基极的电压差Ueb>0.7V，此时三极管导通，从而集电极得到的大电流通过蜂鸣器使得蜂鸣器能够响应,反之I/O口输入的是高电平的时候，即发射极与基极的电压差Ueb<0.7V，这时三极管截止从而集电极没有电流通过则不报警，如图9所示。

图9 报警电路模块

3 程序设计

程序主要完成数据采集，数据运算和数据输出,通过APP和屏的值输入报警参数，一旦超过报警的参数，APP和本地都会报警。

离床检测模块使用的是两个HC-SR501人体感应模块，HC-SR501其实就是一个检测到有人为高电平，没人为低电平。当检测到一个HC-SR501人体感应模块突变，就说明老人已经离开床位。人体体温传感器使用MAX30205MTA，这个传感器是通过IIC协议进行读取的，所以单片机只要根基，该传感器的协议就读取，就可以读取到人的体温值。睡眠监测模块，呼吸监测模块，重力检测模块都是模拟量采集，STM32单片片内还有AD模块，加载AD模块的库，读出AD值，根据AD值算出各个的值，就完成了这些量的采集。屏和WIFI都串口RS232协议，根据RS232协议和各自通信协议进行通信即可。

4 结论

本人设计了一个成本低且简单的人体特征监测仪，主要用于室内病护床使用，可以减少医护人员的劳动力，可以检测病人人体各项特征，能及时的把病人的人体特征发送到后台，供亲属医护人员参考。本文首先介绍了引言，根据引言提出本文的方案，根据具体的方案设计出了硬件电路和完成了元器件的选型，最后编写对应的驱动程序及逻辑程序。