基于“去中心化”的人體生理參數檢測儀設計

王忠 孫瑋 胡芳凝 張豪 王騰騰

摘 要：文中提出一種新的模塊化智能檢測儀設計方案。硬件采用核心板加外部擴展模塊的形式，以單片機平臺為主體，擴展組態串口屏、傳感器、GPS模塊、WiFi模塊等外設。核心板CPU為STM32 ，人機界面采用組態串口屏，血氧模塊使用MAX30102，WiFi模塊使用ESP8266和MQTT傳輸協議，選用移動OneNET平臺。文中詳細闡述了各模塊的設計思路，使用的去中心化設計方法降低了開發難度，具有很高的推廣價值。

關鍵詞：去中心化;串口屏;體溫測量;傳感器;智能檢測;WiFi模塊

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-02

0 引 言

開發一款易用、易維護的人體生理參數智能檢測儀，讓自助進行人體心電、脈搏、血氧等生理體征參數的檢測成為可能。數據能本地顯示、存儲、報警，并將檢測結果上傳到云服務器，實現手機APP同步顯示和數據后處理、數據分享，也能與遠程醫療平臺對接。

1 總體設計方案

1.1 系統總體構成

系統由檢測儀終端、數據處理云服務器、移動手機端APP構成。設備通過WiFi接入無線網絡，云平臺采用中國移動OneNET云平臺，用于存儲和后處理數據，進行健康狀況分析、預警，移動手機端APP用于顯示信息以及醫患交流、數據分享[1]。

檢測儀硬件主要分為主控板、生理數據采集模塊、GPS模塊、數據傳輸模塊、電源管理模塊。主控板完成核心控制功能，生理數據采集和后處理由各模塊獨立完成，再上傳主控板，組態串口屏獨立完成顯示功能，通過UART串口與主控板交互。系統功能不再集中到主控板，而是分散到各模塊。

1.2 系統功能描述

檢測儀終端采集人體生理參數，電容顯示屏以圖文形式顯示相關數據和人機交互。當數據出現異常時，系統遠程報警。報警時，對數據進行分析處理，必要時可根據地理位置開展救助。檢測儀整機設計方案如圖1所示。

2 硬件設計詳述

根據系統需求分析，核心控制采用STM32低功耗系列處理器，具有4個UART串口[2]。電源選擇可充電大容量鋰電池和外部供電雙電源系統。WiFi模塊采用通用ESP8266模塊，液晶屏采用廣州大彩公司設計生產的組態串口液晶屏，位置定位使用中科微GPS定位模塊ATGM336H-5N，該模塊功耗較低，可使用電池供電，配合一鍵呼救功能，確保緊急情況下能進行遠程定位。上述三模塊均采用UART接口與MCU對接。

2.1 體溫測量模塊

體溫測量采用探頭式結構，探頭放于人體腋下，溫度傳感器為負溫度系數NTC熱敏電阻， 常見的熱敏電阻測溫范圍為-20～200 ℃，精度可達0.1 ℃，符合體溫測量要求[3]。選擇熱敏電阻型號為MF54-503E3950FA-30，測溫精度0.01 ℃，阻值精度±0.05%;

基本溫度測量電路如圖2所示。電路由穩壓輸入、測溫電橋、放大電路構成。穩壓輸入模塊使用穩壓芯片TL431，體溫測量采用電橋和放大電路實現。NTC電阻位于電橋電路左上臂，放大電路采用TI公司設計生產的OP07芯片，將熱敏電阻隨人體溫度變化而產生的變化通過電橋輸出電壓送入放大電路，得到方便測量的電壓信號，ADC采用高精度連續自校準模數轉換器ADS1100，將電信換算成體溫數據。為減少誤差，還需要進行標定和誤差補償處理，由單片機完成。將體溫測量部分電路加上ADC傳感器、單片機做成相對獨立的模塊，再通過UART接口接入系統核心板，保證數據精度符合醫療行業標準。

2.2 心率血氧測量模塊

采用Maxim公司設計生產的MAX30102芯片作為測量心率血氧參數傳感器，數據符合行業標準。該芯片體積小，可應用在可穿戴設備上實現心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等處。通過標準I2C通信接口，將采集到的數值傳輸給單片機進行后續的心率和血氧計算。

為了進一步提高芯片的實用性和可靠性，將芯片及其周邊元件集成在一個模塊上，如圖3所示，使用時通過I2C接口接入核心板即可。

2.3 組態串口屏模塊

顯示和人機交互模塊采用新型組態串口屏，內部集成 TFT 顯示驅動、圖片字庫存儲、GUI操作、RTC 顯示、各種組態控件于一體。系統采用 Cortex-M3+高速FPGA處理器，通過ARM實現協議的解析處理和USB圖片下載，FPGA主要完成FLASH的圖片讀取和TFT控制顯示。使用功能相對獨立的串口屏，使系統控制功能和顯示功能分離，降低了開發難度，縮短了開發周期，可靠性高。

3 系統的軟件設計

軟件劃分為四部分，分別是檢測儀的主程序控制;ESP8266模塊的WiFi接入;云平臺接入;手機端APP開發。

3.1 單片機核心控制部分

體溫測量模塊和血氧測量模塊均為獨立模塊，通過I2C接口接入單片機，ESP8266模塊、GPS定位模塊、組態串口屏模塊均通過UART串口接入單片機[4]。

顯示功能采用組態串口屏，數據顯示和人機交互均通過串口發送指令實現，控制功能和人機界面功能分離。因此系統初始化后，運行一個簡單的前后臺系統即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用ESP8266模塊接入WiFi，在其開發平臺上利用Lua腳本語言實現系統功能，包括WiFi智能路由無線連接功能、MQTT客戶端與MQTT云服務器端數據通信功能，由于該模塊功能比較成熟，本文不再詳述[5]。

3.3 OneNET云平臺

OneNET是中國移動打造的物聯網開發平臺，開發文檔完善，開發者只需按照OneNET平臺的規范接入平臺，上傳設備數據即可。數據存儲在云端，需要時可以從云平臺下載到本地進行分析處理，平臺提供觸發器功能，可以將滿足條件的數據推送給第三方，本文利用平臺的觸發器功能，將數據推送到第三方服務器。

4 系統測試

搭建系統后，對終端進行測試，同時開啟手機APP，云平臺和手機同步顯示生理數據，如圖4所示。當人體出現異常時，將數據上傳至醫療數據處理服務器，醫療數據處理服務器會對監測對象進行定位，位置顯示在電子地圖上，同時顯示報警監測對象的詳細數據信息、個人聯系方式、詳細的地圖定位。測試結果表明系統工作穩定，能夠實現對人體數據采集、監測與報警、監測對象位置定位等功能。手機APP顯示測量結果如圖4所示。

5 結 語

本文提出一種去中心化的新型產品設計思路，類似計算機分布式處理，實現系統功能的去中心化。體溫測量模塊和血氧模塊作為獨立模塊出現，并單獨進行數據處理，保證測量數據符合相關標準，核心處理器MCU只負責接收各模塊的數據并控制，顯示和人機交互部分采用相對獨立的組態串口屏，實現控制和顯示功能的分離，對MCU的資源要求降低。WiFi接入和GSP定位模塊也采用了相對獨立的模塊。

各模塊功能相對獨立，模塊內部功能高度內聚，模塊之間低耦合，降低了開發難度，提高了系統可靠性，方便后期故障檢測和維護。試驗表明，本設備數據傳輸穩定，人機界面友好，這種將功能合理分散的“去中心化設計”思路有很高的借鑒價值。

參 考 文 獻

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[4]王浩. 基于ESP8266WiFi平臺和MQTT協議的遠程設備數據采集與控制設計[J].泰山學院學報，2017，39（6）：86-87.

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