基于PVDF传感器的呼吸信号远程监控系统设计*

薛 君

(山西工程职业技术学院电气工程系，山西 太原 030009)

0 引言

目前睡眠呼吸暂停突发情况较多，如果单纯靠医院对其监控，花费较大而且极不方便，造成了患者很大的心理负担和经济负担[1-3]。

针对上述问题，本文利用PVDF提取信号的便利性和PLC控制系统的稳定性，设计了家庭远程监控系统，实现了对病人的睡眠呼吸情况实时监控，可适用于家庭使用。与此同时，通过HINET智能网关与医护机构监控系统互联，及时告知值班护士，能够快速对睡眠呼吸暂停综合征患者采取医疗救护。

1 总体设计

本文设计的便携式呼吸信号远程监控系统，采用PVDF柔性传感器作为呼吸信号检测装置，利用S7-200 SMART PLC作为控制器，运用HINET智能网关进行网络的数据传输，采用MCGS上位机组态软件进行监控。总体设计框图如图1所示。

如图1所示：呼吸信号采用基于PVDF的柔性传感器进行患者呼吸信号监测，经过信号调理电路对信号进行处理，把信号转换成工业用的±5 V的电压信号后，通过S7-200 SMART PLC的模拟端进行接收，经过PLC进行信号处理后，利用HINET智能网关送入internet的数据终端，在医护机构的监控中心接收internet数据后，实时显示患者的监测数据。通过对患者的呼吸情况实时、远程监测和数据分析，判断患者的身体状况和对异常情况进行报警、救护。

图1 总体设计框图

2 呼吸信号的接入

依据参考文献[4]，呼吸监测柔性传感器的设计采用了PVDF压电薄膜作为信号采集端，外形结构如图2所示。

从参考文献[4]可知，该传感器能够把呼吸信号转换成±5V的电压信号，该电压信号符合工业标准，适合用于PLC控制输入源信号。

考虑到PLC控制器信号端的适用性和家庭监护的成本[5-7]，本文选用了SMART 200 ST40作为控制单元。

图2 呼吸信号采集元件整体结构图

报警采用选用EM AE04模拟量输入模块，用于连接呼吸信号。

其呼吸电压信号电气设备接线图如图3所示。

图3 呼吸信号接入电气接线图

I/O分配如下表1所示。

表1 I/O分配

在进行模拟量输入设定时，选择输入类型为“电压”，范围“-5 V～+5 V”。

3 远程监控系统设计

3.1 PLC程序设计

经过信号调理电路放大后的呼吸信号电压送入S7-200 SMART PLC模拟信号端，对信号进行分析处理，来判读被测者是否出现睡眠呼吸暂停。

在1个小时的区间之内，如果患者出现5次以上呼吸暂停，则认为该患者需要及时救护[2]。以此为依据，在PLC中通过对呼吸信号进行分析，提取患者呼吸暂停次数，如果超过5次，则认为被测者出现睡眠呼吸暂停，进行报警。分析和处理信号的程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图

3.2 组态和远程监控设计

计算机组态软件MCGS价格适中，对各类PLC的适用性强，在计算机监控组态应用中得到了广泛应用[8,9]。

本次设计的画面包含有：呼吸波形图、病人状态、报警指示和呼吸暂停次数显示。如图5所示。

图5 便携式呼吸信号远程监控系统主界面

采集的呼吸信号通过PLC接入湖南华辰智通科技有限公司生产的HINET智能网关中，通过Internet传输到医护机构,通过MCGS上位机接收监测信号。

4 系统测试

如图6(a)所示为被测试者在腹部佩戴该呼吸监测系统，采取仰卧姿势，呼吸率为19次/分钟(该呼吸频率为标准呼吸频率)，进行测试。

被测者模拟呼吸暂停，当呼吸暂停次数超过5次时，上位机红色字闪烁显示“请及时救护”，如图6(b)所示，并开始进行报警，提示家人和医护人员及时救治。

图6 呼吸监控画面

5 结论

文中提出了一种基于PVDF柔性传感器的便携式呼吸信号检测系统，创新地设计了亲肤凝胶材质基底、“环膜结构”的便携式呼吸信号检测传感器，采集了呼吸睡眠暂停综合征患者的呼吸信号，通过信号调理电路把采集到的电压信号进行放大、滤波送入S7-200 SMART PLC中进行信号分析、监测和进行异常报警，通过HINET 智能网关、MCGS把睡眠呼吸信号实时送入医护终端，实现了医护机构对呼吸睡眠暂停综合征患者睡眠呼吸信号的实时监控，当出现睡眠呼吸暂停时，可立即接收到患者方的报警信号并实时采取救护措施，使患者能够得到及时救助。