家庭健康监测系统的研发

邓保青，吴德林

（广州理工学院电气与电子工程学院，广东 广州 510540）

0 引言

我国人口数量世界第一，由于基数大，每年的净人口增长数量庞大。特别是随着我国人口老龄化的到来，老年人口数量的增长已经超过了每年出生的新生儿人口数量。家庭健康检测系统是为了填补这方面的空缺，尽可能的提高老年人的生活质量。它能够为病人或家中的老人在正式就医前提供一个前期诊断的基本数据，缩小病人排查的范围，节约不必要检查的费用。

传感器技术的发展日新月异，并被应用在许多领域，近些年，国外医学界基于传感器技术的新型人体生理信号监测仪也取得了突破性进展：把传感器网络分布在如衣服一样的织物上，这件特殊的衣物外观上与普通衣物无异，只是当人们穿上这件衣物时，衣服上的无线传输网络就会把他的各种生理信号以数据的形式传送到 PC系统中，PC系统则不间断的进行持续记录并甄别，若是人体的生理信号出现异常，PC系统便立即发出示警。它还可以实现远程监控，传感器采集到的人体数据经由局域网传输至 Internet上。但由于某种原因，此种新型的发明并没有被大量投入使用。

人体生理监护仪对医学界、甚至于整个人类而言，都是一项非常重要的发明，自上世纪六十年代面世以来，就深得世界医疗各界的青睐，纷纷投入大量人力物力对人体监护系统进行研发、生产及销售，使得监护系统得到持续发展及广泛普及，医院兴建的冠心病监护病房，重症监护室，脑疾患者监护室等让世界各国的重症患者受益无穷，其它的一些普通患者，比如手术室、分娩室、康复室等普通的专科病房的病人，也能得到更加及时有效的监护。综上所述，家庭健康监测系统的研发，市场前景广阔，具有一定的研发价值。

1 系统功能及设计方案

本设计是基于嵌入式 STM32家庭健康检测系统的研发，主要是根据人体的生理信号对人的身体进行健康检测。人体蕴含的健康信息包括血压、心电、脉搏、体温、血氧饱合度、及有创血压、脑电、眼电视网膜电、心输出量、呼吸二氧化碳、胃电、眼震电等信号。实时、连续、长时间的生命体征监测是医学上重要生理参数。该系统有人体温度检测、心率、步数记录等模块，不仅可以测量人体体温，有助于防控疫情，还可以测心率，心率的变化能反映人体多方面的健康状态。其携带方便，检测灵活，成本价格低廉是本设计的特点。系统各模块所测生理参数送至STM32后进行信号的处理、然后通过无限装置发送到监护人手机从而进行显示和报警提示，对老人的健康监测有很大帮助[1]。

1.1 系统功能

家庭健康检测系统的研发主要做到以下功能：（1）采用 STM32F103C8T6作为主控芯片，采用体温、心率、计步等模块进行身体健康信号采集；（2）可以用按键设置心率和体温的上、下限报警值，并具有掉电保存；（3）LCD1602液晶第一行显示当前的心率和体温，第二行显示设定的上、下限报警值；（4）利用无线模块进行传输到手机APP显示数值，主机上测到的心率或体温超出设置心率上下限范围时，主机蜂鸣器和指示灯产生声光报警提示。

1.2 总体设计方案

家庭健康检测系统主要由以下功能模块组成：STM32F103C8T6开发板、总电源供电电路、时钟晶振电路、复位电路、LCD1602液晶显示屏电路、ADXL345计步检测传感器电路、DS18B20温度传感器电路、心率光电检测传感器、ESP8266-WiFi模块。智能家庭健康检测系统结构[2]如图 1所示。

图1 智能家庭健康检测系统结构图Fig.1 structure diagram of intelligent home health detection system

主控芯片：STM32控制芯片由意法半导体ST公司贡献的32位微处理器，如图2所示，可进行实时仿真及追踪，功耗控制能力卓越，外设更是超凡出众，创新力十足。产品做到了最大程度的集成整合，让开发变得简单易用。综合考虑设计的难易程度、实物成本以及对资源的合理分配等因素，采用STM32核心控制作为该系统主控模块[3]。

图2 STM32核心控制模块Fig.2 STM32 core control module

体温传感器：由于本次设计需要非接触式的传感器，非接触式测温仪常见的大多为红外线测温仪，它是用不等温黑体作为其测量的校准源，红外线测温仪容易受外界条件的干扰，比如空气中的各类介质，仪器所配透镜上的卫生条件、磨损、被测对象的辐射率，测量时距离被测物的远近，甚至是周围环境的温度等都会对测量结果产生影响。 虽然如此，但由于其技术成熟，性能稳定且成本造价低，还是受到了广大用户的喜爱，应用非常广泛。此次设计选择TN901红外测温传感器，不用接触人体就可以得出温度，该模块的测温范围-20度到1300度，可以调节任意度数，主要通过测量人体的红外射线发出来的强度进行测量温度[4]。实物图如图3所示。

图3 DS18B20温度传感器Fig.3 DS18B20 temperature sensor

WiFi模块：选择ESP8266作为WiFi通信模块。这种技术与蓝牙技术最大的不同就在于WiFi是包含在WLAN无线局域网范畴之内，可同步对多个终端进行数据传送，传送速率最高可达11 Mbps；而蓝牙则属于WPAN无线局域网范畴，它只能进行点对点的数据输送。而且WiFi覆盖范围更广，可达百米远。WiFi使用的是DSSS直序列扩频及QPSK，其带宽为22MHz。其协议为局域网协议IEEE802.11b。ESP8266WiFi模块如图4所示。

图4 ESP8266WiFi模块Fig.4 ESP8266WiFi module

心率模块：选择 XD-58C心率传感器来测量心率信号。脉搏传感器采用集成技术，把放大电路与噪声消除电路集成于一体，是一款光学心率传感器，Arduino使用它来测量心跳速率，使用方便简单。使用时可以把它置于手指或是耳垂上，再利用网络数据线连接到 Arduino上，通过一个开源的APP，使用者的心率便会即时的以图线的形式显示出来。不管是学生、运动员、艺术家、移动终端开发人员等都可以使用它进行二次开发，制作出与心率相关的互动产品。电源电压 3至 5伏特即可。XD-58C心率传感器实物如图 5所示[5]。

根据隐喻以转喻为基础这一思想（Taylor 1989），Goossens（1990）提出了隐转喻这一概念，它是隐喻和转喻这两种不同运行机制相互作用的产物。Goossens从语料中发现了一些隐喻和转喻互动关系，但其中只有两种关系证明是较为普遍的（Evans 2007：141），这就是“源于转喻的隐喻”（metaphor from metonymy）和“隐喻内含转喻”（metonymy within metaphor）。下面我们通过两个例句来说明这两种关系。

图5 XD-58C心率传感器Fig.5 XD-58C heart rate sensor

计步模块：选择倾角传感器 ADXL345作为计步模块。ADXL345是一种三轴加速度传感器。该加速度传感器具有分辨率高、量程可变的特点，而且其功耗低、尺寸小、灵敏度高，具有广泛的应用范围。ADXL345模块如图6所示。

图6 ADXL345模块Fig.6 ADX.L345 module

主要完成的工作如下：重力角度检测通常是在结束上电后展开的，它推算出总的行走步数后，再换数出行走的总里程数；在STM32的指挥控制之下，LCD1602在屏幕上动态展示出使用者正行走的步数数据及里程数，而第二行展示的则是已经完成的步数及完成的里程数；液晶显示屏上的数据是由温度传感器 DS18B20收集并输送过来的温度数据；液晶显示屏幕上还会实时展示心率光电检测传感器监测到的心率脉搏数据；如果需要进行新一轮的检测，可以进行清零操作，按下板载复位开关键就可以进行；系统配备无线传输功能，用户可随时开启该功能并上传到手机APP，方便用户使用手机查看数据；需要完成电路图、程序图和各个模块子程序，完成仿真调试，完成样品制作。

1.3 系统电路设计

STM32系列控制芯片耗能小价格低，在能完全满足设计条件的前提之下，还能有富余的接口及功能，为系统所需的其它实验项目进行外围电路拓展提供了条件。

（1）STM32核心控制板接口电路图如图 7所示。

图7 STM32核心控制板接口原理图Fig.7 interface schematic diagram of STM32 core control board

（2）心率传感器电路设计，Pulsesensor心率传感器模块接口原理图如图8所示。

图8 Pulsesensor脉搏心率传感器接口原理图Fig.8 Pulsesensor pulse heart rate sensor interface schematic

接口说明：1+：外接5 V；2-：外接GND；3S：输出接口（0和1）。

图9 心率脉搏传感器输出波形图Fig.9 output waveform of heart rate pulse sensor

由图9可以看出，其波形信号并非为标准方波信号，为方便检测，可以利用波形比较器LM393将传感器输出的波形信号过滤成标准的方波信号。LM393比较器模块对脉搏传感器模块滤波的电路原理图如图10所示，通过LM393比较器模块滤波后的波形图如图11所示。

图10 心率检测电路原理图Fig.10 schematic circuit diagram of heart rate detection

图11 LM393后输出的波形图Fig.11 waveform of output after LM393

（3）计步模块电路设计，ADXL345模块接口图如图12所示。

图12 ADXL345模块接口图Fig.12 interface diagram of ADXL345 module

（4）电源模块电路，电源模块采用了芯片L7805CV。这款型号为L7805CV的电子元件，是一种线性稳压芯片，属于电源芯片。它内含限流保护电流，可以有效防止负载短路烧毁元件，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。稳压电路如图13所示。

图13 稳压电路Fig.13 voltage regulator circuit

1.4 系统软件设计

该系统编程语言选择C语言，程序编程环境选择keil uVision5。利用软件进行仿真调试。C语言程序设计其强大的功能、超高的效率及灵活方便，其语言直观，可阅读性强并方便移植。各个模块编译完成后，uVision环境提供集成功能，把模块组合成一个整体。系统程序运行流程图如图 14所示[7]。

图14 主流程图Fig.14 main flow diagram

2 系统调试和制作

2.1 连接调试

在以上软硬件的设计完成后，采集端硬件选用了PCB板，通过按照已绘制的原理图各模块管脚连接方式将各器件焊在PCB板上，软件的程序编译需理清楚每一层的逻辑单元，在keil软件上使用仿真软件对设计进行初步验证，完成逻辑编译和调试，运行无误后再下载至STM32控制芯片上[8]。

2.2 系统整机功能调试

整机功能调试首选完成软件的烧入及测试过程：（1）使用Keil编写软件程序；（2）编译调试各部分的程序，当运行结果为零错误时才算完成程序调试；（3）调试达到预期后，将调试好的HEX文件下载到STM32控制芯片中；（4）将调试好的代码程序烧录，通过液晶屏显示，可以获悉主控模块是否可与心率测试等外围模块正常通信。

选用人体温度传感器、心率脉搏传感器等组成监测点，通过STM32单片机将采集到的数据经WiFi通信模块发送到手机上存储。如果数据超过警戒值，蜂鸣器就会发出震动警示。样品及功能测试如图15所示[9]。

图15 样品及功能测试图Fig.15 sample and functional test diagram

3 结论

针对独自在家可能存在突发疾病的老人，设计了一款基于STM32系列家庭健康检测系统，其携带方便，检测灵活，价格低廉。该系统能够实时、连续、长时间地监测病人和一些年迈老人的生命体征，并提供重要的医学生理参数，短时间内把体温，脉搏，血压的异常发到当事人手机上，并通过 WiFi通信模块发送到监护人的手机上以便监护人快捷地采取对策。家庭健康检测系统采用模块化设计，各模块所测生理参数送至主控制芯片进行信号的处理、然后无线发送到监护人手机显示与报警提示。家庭健康检测系统的研发虽然实现其所预期的各项功能，但并非十全十美，作品还有很大的升级与拓展的空间。该系统可以与智能家居互联，通过大数据、云计算、5G通信等技术，与医院的通信系统对接，作为移动医疗的辅助环节，实现远距离全民健康体系的无线控制。因此家庭健康监测系统的研发对家庭保健仪器方向的研究具有重要的意义。