基于4G网络的人体多生理参数便携检测设备设计

郭 栋，邱力军，徐 颖

(西京学院 理学院，陕西 西安 710123)

0 引言

如今的生理检测产品大多数只能在医院使用，而市面上的检测仪普遍存在以下缺点。(1)监护设备操作过程烦琐、市场价格高昂，尤其是高端的进口仪器。(2)监护仪器的设计基本面向医疗机构，适用于家庭和个人监测的成熟医疗产品非常少。(3)适合家庭使用的医疗仪器多为固定单一参数的产品且功能少，参考价值有限。(4)目前，适合家庭的大多数医疗仪器不能把所测量的生理参数及时发送给医生进行诊断，这种及时诊断对于家住在偏远地区和不方便去医院的病人十分必要。针对上述情况，设计一套便携式生理参数远程实时监测系统用于家庭日常监测，并可以把测量到的生理参数发送给医生进行在线诊断，让使用者及时了解自己的身体状况，真正做到预防潜在疾病。

1 系统整体技术方案

一种基于4G网络的便携式多生理参数远程监测系统，本系统由3个系统组成：脉搏血氧检测系统、无创血压检测系统、心电检测系统。监控装置的硬件结构如图1所示。该装置用于探测人体脉搏的血液氧气，利用光学-频率传感器探测指尖的光脉脉冲，利用发光驱动回路调整脉冲-血-氧探测回路的红色和红色光的发射定时，并将最后的感测器接收的信号经脉冲-氧气回路传输至微处理器，由微处理器进行处理，从而得出身体的脉搏和血氧饱和度等参数。[1]在测量人体的血压时，使用了一个血压监测线路，通过对空气泵和阀门进行充气，使其在一个特定的内部压力范围之内，通过血压测量回路对血压进行放大、过滤，最后由微处理器进行处理，得出舒张压和收缩压。在ECG的探测方面，本研究的心电检测系统是将由导线电极收集的心电图进行放大和过滤，过滤掉其中的基线和工频的扰动，从而获得较不洁净的心电信号，再由微处理机进行处理，进行心电测量。单片机对用户的生理指标进行采集和处理，然后利用电容式串口屏幕把生理数据传输到4 G模块的服务器上。移动端上位机跟PC端上位机分别出读出服务器端的数据[2]。系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

2 子系统设计

本系统主要由主控单元、脉搏血样检测系统、无创血压检测系统和心电检测系统组成。

2.1 主控单元电路设计

主控制器采用基于带浮点单元的Cortex@-M4内核的STM32F411RET6单片机，其工作频率可达100 MHz并具备出色的低功耗性能。STM32F411ZET6具有高达512 KB 的Flash存储器和高达128 KB的SRAM。拥有丰富的外设资源：3路USART，5路SPI，3个IC，12位ADC等。

2.2 脉搏血氧检测系统

传统的脉搏血氧饱和度检测电路设计主要采用模拟电子技术来实现系统中的一系列环节，如双光束分离、交直流分离、滤波放大、检测等。这些复杂的电路硬件环节不可避免的增加了系统的干扰，使检测电路变得更加不稳定、测量随机误差增加。本设计将采用一种光-频率转换脉搏数字系统来解决以上问题，降低系统的噪声干扰和随机误差。光-频率脉搏血氧电路结构，如图2所示。本设计采用STM32微控制器的PE2和PE3 GPIO口来控制时序，发射管发出红光和红外光信号的工作由H桥电路来分时驱动完成；手指将这些信号光吸收衰减后，接收头使用光频转换器件TSL237，将被手指吸收衰减后的透射光信号转换成频率信号，然后传输到微控制器的信号采集端，最终由微控制器进行脉冲频率信号的捕捉，并对采集到的信号进行计数和分析[3]。

图2 光-频率脉搏血氧电路结构

2.3 无创血压检测系统

本系统血压的测量是通过血压传感器将人体的血压生理信号转换成电压信号，然后经过放大、滤波等信号调理电路转送到单片机的A/D模块中，最后经过单片机信号处理后显示到电容式串口屏上并通过4G模组发送至服务器端供上位机读取。具体工作框如图3所示[4]。

图3 无创血压检测系统

2.4 心电信号检测系统

心电信号(EGC)能反映人体生理状态的信息参数。它是心脏生物电活动在人体表面的体现：ECG信号是微弱的低频信号，非常容易受到噪声干扰。其频率范围为0.05～100 Hz，信号幅度为0～5 mV。由于心电信号主要来自人体，人体是一个复杂的环境，不可避免地会受到大量的噪声干扰，因此合理设计心电信号检测电路是获得正确心电信号的关键。心电信号的检测过程相当复杂，一般来说除了呼吸信号、肌电信号、人体运动等内部噪声信号的干扰外，还受到50 Hz工频干扰、电极接触等环境干扰[5]。

心电信号采集电路的系统框图设计，如图4所示。电极采集的体表心电信号通常需要经过前级放大电路适当放大，再经过由低通滤波器和高通滤波器组成的带通滤波器；通过双T陷波器对50 Hz工频干扰进行滤波，最终将心电信号提取到合适的电压范围并发送到单片机。

图4 心电信号采集电路的系统

2.5 采集参数信息上传服务器设计

当检测完成后，系统先将检测到的血氧、心电等信息存储在储存器中，再将存储器中的血压、心率等数据通过UART串口向WiFi模块st-mw-08s依次发送，最后上传至服务器。使用串口配置软件可以修改WiFi模块st-mw-08s工作时的参数和模式。WiFi模块st-mw-08s的优点在于它自身集成了驱动程序，并且支持多种协议，如DHCP客户端和DHCP服务器、TCPIP、ARP、ICMP、UDP等。其IO输入输出接口具备通用性，编程条件具备方便性。

2.6 电源模块

系统需要的电源电压有3.3 V和1.8 V。因为本设计的便携性，主要考虑其体积以及功率的需求，采用LM3674MF-ADJ可调稳压器一开关式稳压器。其电压输出范围1～3.3 V，最大输出电流600 mA，采用SOT-23-5封装，体积小。可以通过改变反馈电阻电容的大小就能改变输出电压的大小，具体3.3 V和1.8 V稳压电路如图5所示

图5 稳压电路

3 结语

本系统应用时下流行的单片机作为控制核心实现了多生理参数采集仪的设计，使采集仪体积微小化。运用4G模组实现了采集参数上传远端服务器来进行远程监控，使得人们的生理参数可以随时进行查看。当突发疾病时能及时就医，为无人看护者提供了健康安全保证。