基于Pulse Sensor的体征参数无线监控系统

摘要：为了实现人体体征参数的高精度测量，设计并实现了基于Android平台、光电反射式脉搏传感器Pulse Sensor、NTC温度传感器以及Wi-Fi通信电路的无线医疗监控系统。采用MSP430G2553单片机作为系统主控芯片，将采集的脉搏、体温数据发送给MSP430G2553单片机的ADC进行处理，并通过Wi-Fi将数据实时传输到专用的Android APP上显示和分析，如果超出设置的正常范围将通过GSM网络向监护人发送报警短信。实验结果表明，该系统脉搏测量误差在2BPM以内，体温测量误差在0.1度以内，并实现了测量结果的无线传输和报警功能，在医疗监控领域具有较高的应用前景。

关键词：Android APP Pulse Sensor MSP430G2553 Wi-Fi GSM网络

中图分类号TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0090-03

Abstract： Awireless medical monitoring system，basedon theinternet of things Android platform， photoelectric reflecting pulse sensor， NTC temperature sensor and Wi-Fi communication circuit， is designed and implemented to realize high accuracy measurement of life sign parameters. MSP430G2553 is used as the master chip. Pulse and temperature collection can be transported by MSP430G2553 ADC. Also the data would be real-time transported to private Android APP for displaying and analyzing. Alarm messages would be sent to guardian while sign parameters have exceeded normal range. The Experimental results show that pulse measurement error is less than 2 BPM； temperature measurement error is less than 0.1 degree. The system makes wireless transmission and alarming possible， which has great application prospects in medical monitoring.

Key Words： Android APP； Pulse Sensor；MSP430；Bluetooth communication； GSM network

现如今人们越来越关注环境污染对人们身体健康的危害，各种雾霾神器热售，人们对生活质量要求的提高使得对自身健康状况越来越关注。脉搏和体温是监控人体健康的重要参数，因此，本文设计并实现了一款可以对人体健康相关的体征参数--脉搏及体温进行监测和报警的无线医疗监控系统，实现人体健康体征参数的实时监测，对人体的体征参数监护具有重要意义。

1 光电反射式脉搏传感器

PulseSensor是一种光电反射式脉搏检测传感器，由光源和光电变换器两部分组成，采用光电容积法，即血管搏动时人体组织透光率的不同[1]。将传感器放置于指端，即光源照射指端，光束的透光率会随着动脉搏充血容积变化而改变，由光电变换器接收经反射光并转换为电信号。当光源的波长λ，光强为I0，根据Lambert-Beer定律，照射于指端时的透射光强I可表示为：

式中，指端组织被分为三种成分：动脉血液中的氧合血红蛋白、还原血红蛋白以及皮肤、肌肉、静脉血等组织，三者等效浓度为CHbO2、CRHb、C0，三者吸光系数εHbO2、εRHb、ε0，固定波长的光源吸收系数为ε，L0为皮肤、肌肉等组织的光程，L为动脉血液光程。其中L0、C0及ε为固定值，而血氧浓度的变化会引起CHbO2、CRHb的变化，因此随着血氧容积的改变L成脉动性变化[4]。确定血氧浓度的重点就是用两个方程计算出CHbO2、CRHb，故需要用两个不同波长的发光管作为光源，根据实验及成本因素，选用SMC810和SMC660LED作为光源。基于对可靠性、灵敏度、杂散电容低等方面的考虑，本设计选用环境光感受器APDS-9008作为光电接收器，接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。

传感器后端还应有相应的放大电路、信号分离电路及滤波电路，有效的将两个光源叠加在一起的反射信号进行分离、滤波，为A/D转换提供可靠信号。电路框图如图1所示。

根据实验此处放大电路选取INA321放大器，信号分离器选取CD4066，两路滤波电路都是由巴特沃斯低通滤波器以及电压放大器构成。传感器信号经IN321放大后输出单路混合信号，再经过分离变为Id660和Id810两路信号，滤波后的Ia660和Ia810送往A/D转换，由MSP430G2553的两路A/D转换通道接收模拟量数据。本设计将传感器进行了遮光处理，测量脉搏时只需将传感器套在手指上，这种测量方式使得测量时不会增加人体生理和心理上的不舒适感。

2 热敏电阻温度传感器

本设计选用负温度系数NTC环氧封装热敏电阻3K-3950，是电子体温計专用的热敏电阻，具有精度高，反应快的特性，25°C时该热敏电阻阻值为3KΩ，精度高达0.16%，远远高于一般1%的热敏电阻，保证体温测温范围内实现高精度测量[3]。将热敏电阻与精度为1%的2.5KΩ的电阻串联，即可实现由温度到阻值再到电压变换的过程。MSP430G2553的ADC采集TEMP信号VT，根据：

3 系统设计

体征参数采集下位机由MSP430G2553单片机系统，电源电路、脉搏检测电路、体温检测电路和Wifi通信模块组成。采用Java JDK7编写Android APP数据监测上位机软件。

3.1 硬件设计

采用混合信号处理器MSP430G2553作为MCU，是具有精简指令集（RISC）的16位超低功耗单片机，多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[4]，因此在人体体征监测仪中能完全发挥其性能，且体积小，仅有20引脚，内部有基本时钟、锁频环时钟、DCO数字振荡器时钟三种模式，上电复位后首先由DCOCLK启动CPU以保证晶振有足够起振及稳定时间，然后再根据需要由软件来配置寄存器确定最后的系统时钟，从而实现该设计对低功耗的控制要求。片内集成了10位精度A/D转换，可进行外部8路模拟信号输入，采用序列通道多次转换模式，可同时进行脉搏信号和体温信号采集，以实现更快、更精确的采集，保证后续计算脉搏及体温数据的准确度。

由于体征参数监测仪需向上位机不断传送大量的脉搏和体温数据，因此选用USR-WIFI232-T进行无线传输，该模块的数据接口有UART、PWM、GPIO三种方式，本设计采用UART方式即上位机Wi-Fi传送的数据由USR-WIFI232-T模块接收后会通过UART转发给单片机，反之单片机通过UART向USR-WIFI232-T WIFI模块发送数据便可以传送到上位机中去。因此需要将单片机的串口数据发送引脚TXD接到WIFI模块的数据接收引脚RXD，同样既然是双线收发引脚，双方的另一个引脚也需要反接，便能实现数据双向收发。

本系统采用外接5V供电，通过AMS1117-3.3V电源管理模块将5V电压转换为3.3V给MSP430G2553小系统及USR-WIFI232-T模块供电。系统整体电路图如图2所示。

3.2 软件设计

3.2.1 单片机软件设计

采用基于开源的Eclipse平台集成开发环境CCS编写数据采集下位机MSP430G2553单片机软件，主要完成实时脉搏和体温数据的采集、处理以及发送，其软件流程图如图3所示。程序开始时需要初始化MSP430单片机UART和ADC，将MSP430单片机与PulseSensor脉搏传感器及体温传感器的数据引脚设置为ADC中断模式，之后程序进入主循环中判断Wi-Fi模块是否有指令发送，如检测到Wi-Fi模块发送指令则表示Android APP连接上监测仪的Wi-Fi网络，这时MSP430G2553单片机就会驱动脉搏传感器和体温传感器采集实时的脉搏和体温数据，采集完成后判断数据有效便发送数据到Wi-Fi。本设计采用Wi-Fi模块的UART方式，所以需要将Wi-Fi模块的UART波特率设置的与MSP430G2553波特率相同，从MSP430单片机向Wi-Fi模块发送过去的数据都会透明的传输到Android APP，因此Wi-Fi模块完成的功能是有线串口数据到Wi-Fi无线数据的转换，使用TCP通信方式无线传输。

3.2.2 AndroidAPP软件设计

Android APP完成MSP430G2553单片机发送数据的接收处理和显示功能。Android APP软件流程图如图3所示。

程序开始时首先初始化Android APP的UI，该步骤主要是将界面XML文件与Android JAVA代码文件关联起来，实现界面与具体功能代码的独立编程。初始化UI步骤完成后根据用户输入的Wi-Fi模块的IP和端口号进行连接，此处由于Wi-Fi模块运行着一个TCP服务器，因此Android APP连接Wi-Fi模块时作为一个TCP客户端根据服务器的IP和监听的端口号进行连接。Android APP連接Wi-Fi模块成功后发送查询脉搏和体温数据的指令给MSP430G2553单片机，并通知MSP430G2553连接成功，令其采集实时的脉搏和体温数据发送过来。当Android APP的TCP客户端判断有Wi-Fi模块发送过来的数据时对相应的数据进行接收，并进行一定的分割后保存在APP上供用户查询。接着判断用户的脉搏和体温数据是否异常，如果异常则即时在Android APP上进行响铃报警，并通过GSM网络发送短信给监护人。

4 系统测试

体征参数无线监测仪的硬件和软件设计完成后需要通过系统测试环节来验证整个系统采集的数据是否准确，方法是使用本文设计的监测仪采集脉搏和体温数据与市场上比较成熟的产品力康PC60NW和医用体温计测量的数据进行大量的数据对比，并将检测仪与上位机距离15米。

数据对比表格如表1所示，对脉搏、体温数据进行对比发现本设计的体征菜蔬监测仪测量的脉搏数据与成熟产品的误差基本维持在2BPM以内，体温数据的测量与成熟产品的误差基本维持在0.1度以内，满足系统设计要求。

5 结语

设计并实现了一种新型的人体体征参数无线监测仪，通过Pulse Sensor脉搏传感器和YSI-400温度传感器实时监测人体的脉搏及体温两个体征数据，并实现数据的Wi-Fi无线收发，脱离繁琐的接线，传输距离达到几十米。Android APP可以永久记录用户的脉搏、体温数据，对每次采集的数据进行分析处理，如果数据出现异常可以进行实时报警，防止意外发生。该设计检测精度高、方便携带、无线传输性能稳定，对家庭、医疗、老人院等场所有很强的市场应用价值。

参考文献

[1]单志勇.常用生理参数的测量原理[J].中国医学装备，2006，3（4）：23-24.

[2]赵亭.基于车联网的汽车智能防盗系统设计[J].电子技术应用，2015（3）：61-64.

[3]郭维.穿戴式人体生理参数监测系统的研究与实现[D].吉林：吉林大学仪器科学与电气工程学院，2012.

[4]曹靖华.基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究[D].上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2008.

[5]James Talbot，Justin McLean. Learning Android Application Programming[M].United States of America，2012.

收稿日期：2016-09-06

作者简介：王宇（1982—），女，回族，河南南阳人，硕士，讲师，研究方向：电子技术，物联网。