基于WiFi的物联网分布式心率血氧监测系统设计

摘 要：针对传统的心率与血氧含量的检测方法在现代医学的应用中存在的缺陷与不足，设计了一款实时监测老年人的心率与血氧含量的物联网产品。本设计以STM32为控制器，由主机和从机两大系统组成。通过从机的MAX30102模块采集心率与血氧数据，将老年人心率与血氧数据在从机的OLED显示屏实时显示数据，当老年人心率与血氧数据稳定后，利用从机WiFi将数据传输至主机WiFi，在主机的OLED显示屏上进行显示。如主机上OLED显示屏显示的数据不在正常阈值范围内，主机将按照WiFi传输顺序精准闪烁LED灯并通过蜂鸣器发出警报，护理员可以实时监测老年人的身体状况。

关键词：ESP8266 WiFi模块；分布式；物联网；MAX30102心率血氧模块；心率与血氧含量；STM32F103C8T6

中图分类号：TP39；TN98 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-000-03

0 引 言

经查阅资料发现，中国是世界上老年人人口最多的国家。2020年我国60岁及以上老年人人口已达2.64亿，占总人口的18.7%。同时约有200万的老年人居住在养老院，而护理员人数却只有养老院老年人人数的10%[1-5]。因此需要一款高精度、便于携带，并能够通过分布式形式来实时监测养老院老年人的心率血氧的物联网产品，来了解每个老年人的身心健康，并在一定程度上降低护理员的工作难度[6-8]。

本研究使用MAX30102心率血氧模块作为心率血氧监测系统的重要组成部分，实时监测老年人的心率血氧，并对每个老年人的数据进行传输。由于每个老年人都是独立的个体，所以采用分布式形式进行老年人心率血氧值的传输。本产品具有体积小、携带方便、精确度高等特点，护理员可以实时掌握老年人的心率血氧值，监测心率血氧值是否处于阈值范围内，保障老年人的健康生活，这也是养老院科学、高效地开展老年人健康生活监测的有效方式[9-11]。

1 系统设计

本系统采用MAX30102心率血氧模块的两大特性电路，模拟信号采集电路和数字处理电路与STM32F103C8T6单片机I2C接口进行数据的处理。利用从机ESP8266 WiFi发送心率血氧数值、主机ESP8266 WiFi接收心率血氧数值的方式，二者分别连接到两个STM32F103C8T6单片机上，将接收到的心率血氧值用OLED显示屏显示。本设计采用1个主机和8个从机进行测试。系统架构如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 主机硬件系统设计

主机硬件系统主要由STM32最小系统、电源模块、按键模块、ESP8266 WiFi模块、OLED显示模块、蜂鸣器模块以及指示灯组所构成。主机硬件框图如图2所示。主机原理如图3所示。工作流程是主机WiFi接收从机WiFi发送过来的数据，经过STM32F103C8T6单片机对接收到的信号进行实时处理与命令控制，如有低于或高于设置阈值的情况，蜂鸣器就会报警且指示灯闪烁，并对数据不正常的老年人进行特殊标注，反之则正常显示。

2.2 从机硬件系统设计

从机硬件系统主要由STM32最小系统、电源模块、OLED显示模块、ESP8266 WiFi模块、MAX30102心率血氧模块所构成。从机硬件框图如图4所示。从机原理如图5所示。

上电后，利用MAX30102传感器实现人体生理血氧和心率信号的实时采集；经过STM32F103C8T6单片机进行数据分析，并将数据以及图像在OLED显示屏上显示出来；同时STM32F103C8T6单片机将数据传给WiFi模块，并将数据利用WiFi远程传输到主机上。

3 软件系统设计

3.1 主机软件系统设计

主机系统上电后，程序开始运行，定时器、ESP8266 WiFi、OLED显示屏初始化。接下来进入While循环，判断按键模块的数据并进行分析。当设置按键按下时，切换设置模式；“加”按键按下时，加报警上限阈值；“减”按键按下时，减报警下限阈值。在调节完成后，按下确认键确认数值，系统运行。主机WiFi开始接收每个从机WiFi传输的数据，系统依次分析每个老年人的心率血氧值。如若接收到的数据都在正常的阈值范围内，LED灯为常亮状态，蜂鸣器不会触发。当有超过设置的阈值或低于设置的阈值时，LED灯会进行闪烁并打开蜂鸣器报警。主机软件流程如图6所示。

3.2 从机软件系统设计

从机系统上电后，系统初始化，当MAX30102血氧模块检测到信号时，会采集5 s内心率和血氧数据进行传输、分析、接收；当数据稳定可靠后，将得出的数据依次显示在OLED显示屏上。从机软件流程如图7所示。

在所有数据得出后，从机系统实时将数据连接的WiFi和主机数据连接的WiFi进行数据传输，并将传输的数据全部显示在主机的OLED显示屏上。

4 结 语

本文设计的是一款基于WiFi的物联网分布式心率血氧监测系统，采用主机和从机相结合的方式，既可以让老年人看到自己的心率与血氧数据，又可以让护理员通过主机的OLED显示屏进行数据观测。如发现不在正常阈值范围内的心率与血氧数值，将发出实时警报并LED灯闪烁提示。该系统能够较为准确地检测心率与血氧，并采用比较稳定的WiFi进行数据传输，能够及时发现养老院内老年人心率异常与血氧浓度较低的情况，并及时救治。

注：本文通讯作者为姜莉。

参考文献

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作者简介：李 博（2001—），男，河南商丘人，大连理工大学城市学院通信工程专业本科在读。

刘诗泽（2000—），男，辽宁鞍山人，大连理工大学城市学院通信工程专业本科在读。

朱文煜（2001—），女，云南大理人，大连理工大学城市学院通信工程专业本科在读。

姜 莉（1980—），女，辽宁大连人，大连理工大学城市学院工程师，研究方向为物联网技术、数据通信。

收稿日期：2023-04-22 修回日期：2023-05-19

基金项目：2022年度辽宁省教育厅基本科研项目（青年项目）：基于WiFi透传的自适应波特率串口传输技术的研究（LJKQZ20222465）