临床监测系统的设计

唐宇龙，张正国，邓宇奇，杨保友

（安徽新华学院电子工程学院，安徽合肥，230000）

0 引言

传染病一直都是人类害怕的天灾之一，就新冠肺炎而言，2020 年春节期间，国家急缺医护人员，与此同时大量的医护人员也在透支着生命参与抗击疫情，国家也花费了大量的资金来保障人民的生命安全。临床监控系统，针对于重症患者的体征的监测，尽量的避免医护人员直接与患者的直接接触，大大保护了医护人员的生命安全。并且相对于传统医疗监测设备，临床监测系统具有明显的成本优势。

1 装置的组成

该系统主要针对传统的医疗监测设备进行了改进，在传统的基础上进行了创新，结合了摄像头进行远程监控的工作原理。系统选用STM32F103ZET6 单片机，人体心跳测量模块，人体温度测量模块，OPENMV 视觉识别模块。整体结构如图1 所示。该系统选择OPENMV 视觉识别模块与STM32F103 单片机相结合解决了人脸识别跟踪问题，添加了IMU 姿态模块，可以时时刻刻的记录病人的姿态，便于医护人员进行后续治疗，整个装置还搭载着人体心跳测量模块以及人体体温测量模块用来记录病人当前的体征。与此同时装置也会随时将所接收的信息发送给上位机让医护人员随时得到病人的信息，该作品在使用时不仅很大程度缩小了疫情下医护人员的工作强度，还大量减少了的当疫情来临时所需要准备的抗疫资金。

图1 整体结构

硬件系统选用，包含了OV7725 感光元件和STM32743单片机的OPENMV 视觉识别模块[1]、拥有72MHz 原生主频，ARM-Cortex-M3 内核的STM32F103ZET6 单片机、人体心跳测量模块、人体体温测量模块、二自由度云台、IMU模块、电源模块、无线收发模块、WIFI 模块。系统的原理如图2 所示，该系统选用了OPENMV 摄像头模块通过控制二自由度云台来实现对人脸的识别以及实时的跟踪，并且时时刻刻将所接受的信息发送给STM32F103ZET6 单片机。系统利用体温测量模块和心跳测量模块来检测人体的心跳数据以及体温数据，在将所接受体温数据和心跳数据发送给STM32F103ZET6 单片机。IMU 模块将会对病人的当前姿态进行分析得出数据，并将所得数据发送给STM32F103ZET6单片机。STM32F103ZET6 单片机会将所有所接受的数据融合分析后，在通过无线收发模块发送给上位机。

图2 装置原理图

2 人脸识别系统的设计

OPENMV 视觉识别模块识别到人脸系统开始运行，OPENMV 视觉识别模块首先需要通过image.HaarCascade函数录入需要被监测人的人脸特征信息，之后利用img.find_features 来根据录入的特征信息来辨别人脸，由于需要保证人脸的信息可以被OPENMV 视觉识别模块精准的读取，所以当人脸被成功识别之后，OPENMV 视觉模块会通过PID 算法来控制二自由度云台从而实现系统可以对人脸的准确跟踪。当OPENMV 视觉识别模块采集到人脸信息时，OPENMV 视觉识别模块会通过串口通信发送信息让STM32F103ZET6 单片机工作，同时也会通过ATWINC1500模块与上位机进行WIFI 通信并将所监测的实时画面发送给上位机，从而让医护人员了解到当前病人的表情，以便于医护人员对病人的观察。

3 人体姿态系统的设计

IMU 模块由功耗小、体积小、成本低的BMP085 气压传感器模块、MPU6050 运动组件模块、HMC5883L 磁阻传感器模块组成如图3 所示。当病人躺在病床上时，将IMU 模块放置于人体腰部，当STM32F103ZET6 单片机发送工作命令时，IMU 模块开始工作，IMU 模块会利用基于PI 调节和互补滤波[2]的人体姿态角算法，记录病人的在病床上时的动作。并将其记录下来，通过I2C 通信发送给STM32F103ZET6 单片机。STM32F103ZET6 单片机再将IMU 所记录的数据通过NRF24l01 无线收发模块将数据发送给上位机，从而记录病人的姿态。程序流程图如图4 所示。

图3 IMU 模块

图4 IMU 程序流程图

4 人体体温心跳测量系统

人体体温心跳测量系统由人体心跳测量模块和人体体温测量模块组成，当开始工作时完对病人身体状况的分析。

■4.1 人体心跳测量

心电测量选用的ADS1292 模块，是采用德州仪器（TI）的ADS1292R 芯片设计的，是多通道同步采样24 位Δ-Σ 模数转换器，它具有内置可编程增益放大器(PGA)、内部基准与板载振荡器，低功耗，成本低，使用方便。当系统开始工作时，将采集到的心跳数据发送给STM32F103ZET6 单片机，在采集心电信号期间，会受到多种噪音干扰，可以使用卡尔曼滤波算法[3]对系统测得的数据进行滤波，从而使所测得数值的误差大大降低。

■4.2 人体体温测量

体温测量模块选用LMT70 模拟温度传感器，LMT70 是一款带有输出使能引脚的超小型、高精度、低功耗互补金属氧化物半导体 (CMOS) 模拟温度传感器。它几乎适用于所有高精度、低功耗的经济高效型温度感测应用。当系统开始工作时STM32F103ZET6 单片机发送工作指令，体温测量模块将所测得体温数据发送给STM32F103ZET6 单片机。由于LMT70 输出使能引脚允许使用多个LMT70 共享1 个ADC 通道，从而简化ADC 校准，所以大大降低了精密温度感测所需要的系统总成本。

5 系统测试

当系统上电时，系统准备工作，OPENMV 视觉识别模块读取预先录入的人脸特征信息，检测到预先录入的人脸特征信息以后，OPENMV 视觉识别模块开始工作，通过串口通信发送工作指令至STM32F103ZET6 单片机，通过控制二自由度云台将所追踪到的病人面部图像通过ATWINC1500模块WIFI 通信发送给上位机，从而让医护人员得到病人的面部信息。得到OPENMV 视觉识别模块通过串口通信发送的工作指令后，STM32F103ZET6 单片机开始工作，STM32F103ZET6 单片机开始工作后首先控制IMU 模块工作，IMU 模块开始工作，IMU 模块工作后识别到病人的姿态数据并且及时将病人的姿态数据发送给STM32F103ZET6单片机，STM32F103ZET6 单片机接收到病人的姿态数据后在通过NRF24l01 无线收发模块将病人姿态信息发送至上位机。完成姿态信息分析后，STM32F103ZET6 单片机开始控制ADS1292 心跳测量模块工作，STM32F103ZET6 单片机向心跳测量模块发送工作指令，ADS1292 心跳测量模块得到STM32F103ZET6 单片机发送的工作指令后开始工作，开始采取病人的心跳数据，并且将采取到的病人心跳数据发送给STM32F103ZET6 单片机，STM32F103ZET6 单片机接收到病人心数据后，通过NRF24l01 无线收发模块模块将病人心跳数据发送至上位机。完成心跳信息采集后，最后STM32F103ZET6 单片机控制LMT70 体温测量模块开始工作，LMT70 体温测量模块接收到STM32F103ZET6 单片机发送的工作指令后开始工作，开始采集病人的体温数据，并且将病人的体温数据发送给STM32F103ZET6 单片机，STM32F103ZET6 单片机接收到病人的体温数据后，通过NRF24l01 无线收发模块模块将病人体温数据发送至上位机。系统会一直重复操作，时刻向上位机发送病人的数据，直至病人脱离OPENMV 视觉识别模块识别范围。在系统工作时，医护人员可以从从上位机上得到病人的面部、姿态、心跳体温数据。从而实行整个系统的工作，如图5 所示。

图5 临床监测系统工作原理图

6 结论

临床监测系统集节能、高效、智能等优点于一体，并且大大的减轻了医护人员特殊情况期间的工作压力，与此同时也减轻了国家特殊情况时的资金压力。使其具有了一定的研究意义和实用价值。基于嵌入式技术对系统工作原理，结构组成、硬件和软件进行了设计，针对其中的关键技术做了详细的分析，最后通过实验验证，系统具有节能、高效、智能等特点。