基于GSM 便携式人体生理信号监控报警系统设计*

陈 丹 ，王 晶，陈扬美，肖文凯

(四川理工学院，四川 自贡643000)

中国是世界上人口最多的国家，到2008 年末中国大陆人口13.28 亿，占世界人口的20%、亚洲人口的33%。在2010 年的人口普查时得到的数据中可以知道在中国社会中:0 ～14 岁人口占16.60%;60 岁及以上人口占13.26%;其中65 岁及以上人口占8.87%。

而随着人口老龄化进程的加快，各种老龄化疾病也越来越困扰这类人群。比如脑动脉硬化、脑卒中风、冠心病等，这些疾病老年人最容易罹患，由于这些疾病发病时间很短，当老年人发病后，如果不能及时察觉可能危及患者的生命。

1 人体信号检测仪的现状调查

目前，人体信号检测仪器在医院里是使用比较广泛的医用检测仪器，如心电探测仪、血压检测仪、血氧测量仪等，这些仪器虽然测量精确，但体积比较大，不容易携带，另外这些检测仪器没有远程信息发送功能。

另外还有便携式的人体信号检测仪器，但这些仪器以国外产品占主导地位。国外对于监护仪器便携性、准确性、功能性的研究与开发已经相当成熟，其最具代表性的有日本的欧姆龙公司、德国的博朗集团和瑞士的迈克大夫等。

而在国内，这些便携式的人体信号检测仪器还只停留在起步阶段。中国社会目前已经进入老龄化社会，已经成为全球最大的家庭医疗保健消费市场。随着生活水平与生活质量的提高，人们越来越注重疾病的预防、治疗和自我保健。各类健身器材、医疗保健器材和滋补保健品已迅速进入普通居民家庭，医疗保健消费成倍增长。2009 年城市居民人均医疗保健支出1 310 元，增长79.4%，2010 年1 ～6 月城市居民仅用于保健器具的支出比2009 年增长6.2 倍。家庭医疗保健产品正成为市场的焦点。因此人们对便携式人体信号检测系统有很高的市场要求。

2 系统总体方案设计

本系统主要针对和人身体状态密切相关的3 种生理信号:体温、脉搏、血氧饱和度进行检测。当信号出现异常时能够进行远程报警，故应具备以下功能:

(1)能检测出人体的心率信号;

(2)能检测出人体的血氧浓度信号;

(3)能检测出人体的体温信号;

(4)具有便携式实时、无创检测功能;

(5)有远程报警功能。

其系统框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

该系统人体信号检测部分的3 个检测传感器实时对人体的3 种信号进行检测，检测到的信号被MSP430 处理器接收并进行处理，得到相应的数据信号后，将这些数据信号通过24L01 无线发送模块发送出去，当远程报警模块部分中的MSP430 处理器收到从24L01 无线接收模块处收到的数据信号后，将对数据进行判定，如果判定出的数据信号为异常信号，则触发报警功能，控制TC35I 模块工作，进行短信或电话报警。

在该方案设计中，由于信号检测部分与远程报警部分的功能进行了分离，人体信号检测部分的电路能够设计得很微小，可以安置在人体的一些检测部位，而又不影响人的活动;远程报警部分则可以进行模块封装，然后放置于人的衣服口袋等地方，方便携带。

2.1 血氧饱和度及检测原理

本系统的测量原理是将血氧浓度的线性变化与脉搏的非线性变化通过光电检测技术进行物理量的数字化，并将数字化后的数据进行进一步的处理，实现对血氧饱和度和脉搏的无创伤连续监测并进行异常报警。本设计通常是以人的手指尖部获取测量信息。人的手指是一个混合组织，红光和红外光透过手指，由皮肤、肌肉、骨骼、毛细血管、静脉血管和心脏舒张期的动脉血产生一个恒定的吸光系数A。由心脏搏动，动脉血充盈引起血管容积变化从而形成脉动量产生的是与此相应变化的吸收系数ΔA。当用两种特定波长的恒定光λ1，λ2照射手指时，运用Lambert－Beer 定律，可推导出:

式中:α1、β1是对应于λ1波长的HbO2、Hb 的吸光系数，ΔA1是对应于λ1的吸光度变化量。

α2、β2是对应于λ2波长的HbO2、Hb 的吸光系数，ΔA2是对应于λ2的吸光度变化量。

对一定波长的光和一定的透射物而言，吸光系数是个确定的量，即α1、β1、α2、β2是个常量。适当选择可使得上式中的SaO2和之间呈近似线性关系，表示为:

式中Q 为2 种波长(HbO2、Hb)的吸光度变化之比，a、b 为仪器常数，与传感器结构、测量条件有关。此经验公式为众多的脉搏血氧仪设计所采用。本设计中，便是据此原理在技术上解决了夹指传感探头、光源、检测元件、测量方法及克服各种生理因素的影响，并在定标方法上探讨了仪器常数a、b 而确定。

本系统监测的是血氧饱和度，因此常用符号SaO2表示，以区别于取样所测得的SaO2。

光源采用两种不同波长的发光二极管(红色光和红外光)，其管芯经特殊封装和PIN 型光敏管组成透射式夹指传感器。发光管的峰值分别为λ1=660 nm(红光)，λ2=940 nm(红外)。由单片机控制双脉冲发送并通过恒流脉冲驱动H 桥型电路，使两个发光管按顺序交替工作。由光敏管检测到的信号经调制放大以消除杂散光和暗电流的影响，再经解调分离电路分别检出由红光和红外光产生的信号送单片机A/D 口进行数据处理。

血氧含量的检测技术近几年来已引起了许多研究者们的高度重视。随着工程技术的迅速发展，国外各种不同用途和类型的血氧仪相继问世，并在世界各国得到了迅速推广，特别是可用于连续、无创监测动脉血氧饱和度和心率的脉搏血氧仪，已成为临床上的常规监护仪器，但是在国内，民用的相关仪器其功能单一，携带不方便，已经成为推广和普及该仪器的最大阻碍，本系统灵活的将血氧、脉搏、温度检测集成到手机模块里面，使普通的手机变身成为临床医学检测、手机通信的两用手机，扩展了手机、或者血氧仪的使用范围。

得到血氧值的过程实现:从上面的分析可以知道，血氧浓度的值的简化后公式为:

在公式中a 和b 为指定值，ΔA1和ΔA2为测量值。测量这两个值的过程为:在硬件电路上由H 桥控制两个发光管交替发光，然后由放大器将这两个信号放大到适合单片机使用的电压伏值，然后使用AD 转换，将这两个值送入单片机中;在单片机中，使用上面的计算公式便得到了血氧值。其信号的测量过程如图2 所示。

图2 血氧饱和度测量框图

2.2 红外脉搏检测原理

随着心脏的收缩舒张，主动脉周期性的一张一缩，压力将从升高区域开始以波的形式向主动脉远端及其分支传播，形成脉搏波。在脉搏波的传播过程中，由于心血管状况的不同，脉搏波将被不同程度的反射和折射，可反映出心血管的外周阻力和血管壁弹性等生理信息。

根据血流动力学原理，在血管变形不太大的情况下，一个周期内血管内血流压力随时间变化的波形将与血管半径随时间变化的波形相似。利用脉搏波为峰值时遮挡红外光线能力强，脉搏波为谷值时透过红外光能力强的原理，在利用放大器把这个微小的电压差信号放大后，便可以记录到搏动随时间变化的曲线，即为脉搏。

该信号的测量过程如图3 所示。

图3 脉搏度测量框图

由于该信号为一个较低的频率信号，故在单片机中使用的算法为测频算法，在本系统中使用的单片机具有频率测量功能，所以要进行测频，只需要进行相关寄存器的操作便能实现。

2.3 血氧饱和度信号和心率脉搏检测部分设计

血氧饱和度监测采用无损检测，利用对血液中的血细胞所含氧浓度不同时对可透过红光和红外光的吸光能力不同进行检测，然后使用相应的计算方法得到。血氧检测电路与脉搏检测电路结构比较相似，都是使用红外对管进行检测，所以该部分模块的检测探头可以共用一个探头，只是后级电路结构不同，同时由于检测血氧时还需要有红光的信号，且在检测时需要红光和红外光交替测量才能得到所要的数据，因此该部分电路如图4 所示。

图4 H 桥驱动电路

图4电路为H 桥型电路，其工作方式为:当bloodledQ1 与bloodledQ4 导通时，LED Ir 被正向接通开始工作，向外发出红外光;当bloodledQ2 与bloodledQ3 导通时，LED red 被正向接通开始工作，向外发出红光;注意Q1 与Q3、Q2 与Q4 不能同时导通，如果这两组三极管同时导通，则会引起电路短路。

H 桥型电路的使用便于MCU 更快捷的交替使能红色发光二极管和红外光发光管，其中红光检测人体的脉搏信号，红外光检测人体的血氧信号。由于人体的血氧信号是线性变化的，而人体的脉搏信号频率也不高(以人体进行剧烈运动后的脉搏频率为4 Hz 计算)，根据奈奎斯特定理:在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2 倍时(fs.max＞=2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，可以知道，如果让MCU 提供一个满足采样定理的采样频率，则能很轻易的将这两个信号完整的采样出来，而本设计中使用的MCU 能很轻易的实现相关的功能要求，所以使用H 桥型电路交替使能2 个发光管工作对人体信号采样影响比较小。

当使用红光发光管和红外光发光管后，还要使用相应的光敏接收管才能将需要的信号采样到，同时由于血氧信号是线性变化的物理量，故所搭建的光信号接收测量电路也应该对应使用线性变化测量电路，本设计中使用的是差分方式测量光信号的线性变化，其电路结构如下图5 所示。

图5 线性测光电路

该电路为电流输入型差动放大电路，使用放大电路的普通分析方法可知:其中Vf－部分为电流输入电路，该部分电路的原理为基于负反馈的电流输入放大器，在本系统中使用此方法是由于光敏器件提供的可变信号为电流型信号，运用这种连接方式可以通过负反馈的作用把输入阻抗降到比较低的值，从而实现高灵敏度、低噪声的电流输入前置放大。而从该电路的整体来看，其构成为一差动放大器，这样的电路连接能够避免在检测时引入共态噪声的影响。

由于在线性测光电路所测量得到的信号中即线性的血氧饱和度信号，也有低频的脉搏信号(按人体脉搏在运动后最高跳动次数达240 次/min 来计算，即最高为4 Hz/s)，故不需要增加另外的测量电路，只需要在上图的sigout1 处分一引线出来增加一级低通滤波器，再加两级放大，便能得到稳定的脉搏信号，其电路结构图如下图6 和图7 所示。

图6 中电路为低通滤波放大器，其功能为滤出高于5 Hz 以上的信号波型。因为该级信号中有直流信号和脉搏信号，如果放大倍数大的话，脉搏信号会被直流信号淹没，所以该部分电路的放大倍数为1.5 倍。

图6 低通滤波器电路

图7 二级放大比较电路

图7 中电路功能为进行二次放大和比较输出，比较输出部分的功能是将得到的波型进行整形的作用。

2.4 其他部分设计及连接图

本系统中使用的测温芯片为AD7314 芯片，该芯片封装体积非常小，便于集成和携带。其电路连接图如图8 所示。

图8 体温检测模块电路

图中为AD7314 的引脚结构图，CE_7314 为7314 芯片的片选功能接口，SCLK_7314 为芯片的时钟输入接口，GND_7314、VDD_7314 为芯片的电源接口，ID_7314、SDI_7314、SDO_7314 为芯片的数据输入输出接口，这几个引脚与单片机相连接。

本系统中使用的短程无线收发模块的方案为24L01 模块，该模块使用SPI 同步串行通信方式，使用免费的2.4 GHz 公共无线频率，而且该模块已经属于成品化模块，相应的操作控制技术已经非常成熟。其连接电路如图9 所示。

图9 无线模块接口电路

图9 中GND 与REGI 为电源接口，SCK、GIO1、GIO2、SCS 这四个引脚为与单片机的数据接口引脚，这几个引脚与单片机相连接，并与单片机进行数据交换。由于该模块具有数据的发送与接收功能，该部分电路可以应用到数据的发送与接收电路中。

因为本系统需要进行远程报警，而远程报警性能最好、距离最远的报警方式就是使用GSM 网络的移动通信技术来报警。使用这种方式不仅可以传送相应的报警信号，还能进行文字和语言信息交换。在本系统中使用的远程报警模块是使用技术比较成熟的TC35I GSM 模块。其电路连接图如图10 所示。

图10 TC35I 模块电路

图10 中模块便为TC35I 模块的电路结构图，图中1 KUF 的电容作用是储能，为模块工作时提供大的电流;电容C2和电容C3为去耦电容，作用是去除电源波动的影响，电阻R3和NPN 三极管Q1及LED组成的灯光电路起指示作用，即当TC35I 正常工作和连网后的指示作用。

3 程序流程设计

该系统的程序流程图分为前端数据测量部分和后端数据处理部分，前端监测部分流程图如图11所示。

图11 前端数据测量部分程序流程图

由流程图可以看出，该部分模块要实现的功能包括对无线模块的控制和对3 路人体信号的测量等，同时由于该模块放置于人体的手指部分，故要求其小巧、轻便。同时正常人体能承受的缺氧时间为5 min 左右，如果人体缺氧超过10 min，大脑将会受到不可逆的损害，因此将重复检测的时间划定为3 min 检测一次，每次检测30 s，比较合适，其目的在于能降低前端系统的功耗，节约使用成本。如果在某一次检测时检测到了异常情况，如血氧浓度下降比较大、脉搏减小到一定程序时，将进入紧急模式，将检测的周期变为每30 s 检测一次，每次检测的时间增加为1 min，其目的在于排除在某次检测中的不准确数据、同时也能减少一些不必要的功耗。

后端数据处理部分如图12 所示。

图12 后端数据处理部分程序流程图

通过程序流程图可以了解到:后端模块的功能包括接收前端模块传来的数据、通过彩屏显示相关数据、控制TC35I 模块。其中TC35I 模块除了能发送短信外，还有打接电话的功能。为了尽可能大的扩展该系统的实用性与广泛使用性，所以必须要实现TC35I 的打接电话功能。同时为了降低功耗，增长电池的使用寿命，要将该部分模块的功能设置为低功耗模式，由键盘(由人触摸键盘)、TC35I 模块(有外电话拨入)、无线模块(接收到从前端测量到的相关数据)等几部分产生的信号将MCU 从低功耗中唤醒并执行相关的功能。

4 系统实验样品模块及测试

4.1 系统实验样品模块

本系统实验样品已实现主要功能，其系统如图13 ～图17 所示。

图13 前端检测指套内部图

图14 前端检测指套外观图

图15 后端控制模块实物图

图16 正常测试效果图

图17 异常测试( 人为修改数据) 效果图

4.2 实际功能测试

为验证该系统在实际环境中时候能够完成测试及报警功能，特在四川理工学院学生中选择了10 位学生(5 男5 女)进行测试，测试条件为正常状态下测试和慢跑15 min 的测试。正常状态下测试结果如表1 所示。

表1 正常状态测试结果

表1 说明，在正常条件下，10 位同学均为正常生理状态。系统测试正常。在慢跑15 min 后测试结果如表2 所示。

表2 慢跑15 min 后测试结果

上表测量说明在慢跑时人体脉搏搏动次数将会显著上升，血氧饱和度变化不大，体温略有升高。在12 min ～15 min 左右均测量出了脉搏持续异常，发出报警短信，说明短信报警功能基本正常工作。由于测试条件限制，无法找到实际血氧饱和度和体温持续异常状态人群，所以在实际中暂时没有对该类人群做出检测报警，仅在实验室测量时通过特殊手段，如修改单片机检测数值进行验证。所以测试性能还需经过进一步实际验证。

5 结束语

本文描述的是一种基于GSM 便携式人体生理信号监控报警系统设计。该系统属于医疗保健设备，具有成本低、电路结构稳定简单、系统维护方便、测量精确，其适用对象为中老年人群。本系统在老龄化日益严重的今天，有着非常广泛的应用前景和广阔的市场，同时，本系统中的MCU 还有部分功能和端口并没有完全被使用，因此本系统的可扩展性也非常的强。另外，如果能将本系统作为一终端机，同时结合上位PC 机制作成为一小区老年人身体信息统计系统，其实用性又能更大的扩展。

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