生命体征远程监测器

2020-08-11朱一鸣

科学技术创新 2020年20期

关键词：蜂鸣器血氧体温

朱一鸣

（山东省临沂第一中学，山东临沂276000）

创新点：

（1）本系统的设计实现了体温、血氧浓度和心率等人体生命体征参数的实时测量、远程查看、分析等功能。

（2）本系统可以作为个人医护设备，成本低廉、便于携带。

（3）本系统可以长期数据监测，并对采集的数据进行健康分析，温度超标后，可以进行远程报警。

1 项目调研

当今世界科技高速发展，人们对生命和健康的追求越来越重视。家庭医疗保健设备层出不穷，越来越多的家庭也关注自身的医疗防范，比如心脑血管疾病的预防监测，怎么有效地防治这类疾病，逐渐全社会面临的一个刻不容缓的问题，于是想设计一款成本低廉、便于携带的无线生命体征监测设备。

2 作品功能

本设备是一个能够检测和监测人体健康参数（体温、血氧浓度和心率）的健康保健设备。用户连接好设备后，通过上位机可以直观看到体温、血氧浓度和心率的波形图，上位机实时显示人体的体温、血氧浓度和心率的数据，并且支持在规定时间内采集并且记录数据，最后导出PDF 到PC。在PDF 中，用户可以看到体温、心率和血氧浓度的平均值和身体状态。如果体温发生异常，则蜂鸣器发声报警，并且远程报警器也发生报警，以告知监护人。

3 方案设计

本设备下位机采集设备使用血氧浓度和心率可穿戴传感器、体温传感器，STM32 单片机采集数据，采取ZigBee 无线连接远程报警端。设计基于ZigBee 的无线串口采集生命体征数据，使用C 语言对采集器进行变成，使用Arduino 设计远程报警端，当温度超过设计的标值采集端和远程端均报警。使用Java 程序编写上位机界面设计，上位机实时显示人体的体温、血氧浓度和心率的数据，并且支持在规定时间内采集并且记录数据，最后导出PDF 到PC。在PDF 中，用户可以看到体温、心率和血氧浓度的平均值和身体状态。硬件端分别为无限串口、远程报警端和采集端。

4 硬件分析

4.1 STM32 系统开发板

用嵌入式系统来实现整个作品的调控和功能的实现, 主控芯片使用了STM32 主控芯片,并结合红外无线遥控，可以控制任何功能。

经过与其他系列型号的单片机芯片相比较，最后决定采用STM32F103 系列主控芯片，STM32 是32 位单片机，一次处理数据宽度32 位，而51 只能处理8 位数据；STM32 的内部RAM 和ROM（flash）都比51 大得多，STM32F103 有64kRAM，512kROM，外设也比较丰富，定时器多达14 个，PWM 功能强大，其ADC精度也达到12 位，外部接口丰富，可以添加各种外部设备达到别的功能。性能稳定，不会出现因内部问题而造成的输出不稳定。

4.2 MAX30102：血氧浓度&心率传感器

Maxim 公司的MAX30102 是高灵敏度血氧和心率生物传感器，包括内部的LED，光电检测器，光学元件，以及环境光抑制的低噪音电子学。单个1.8V 电源，内部LED 电源5.0V，通信通过标准的I2C 接口进行，工作温度-40℃到+85℃，微细5.6mm x 3.3mm x 1.55mm 14 引脚封装，主要用在可穿戴设备以及健美辅助设备。

4.3 MAX30205:体温传感器

MAX30205 体温传感器评估套件用于快速、方便地评估MAX30205 传感器。该传感器采用了高分辨率Σ-Δ 型模数转换器。该转换器可精确测量体温并将其转换为数字形式。高精度和低电压操作有助于帮助设计人员满足出错和电力预算，主要特征为精确0.1℃精度（37℃至39℃），16 位（0.00390625℃）温度分辨率，2.7V 至3.3V 电源电压范围，单次和关断模式有助于降低用电量，600μA（典型值）工作供电电流。

4.4 Zigbee

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee 协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4 标准的规定。

4.5 蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。

5 软件分析

5.1 采集器程序设计

编程语言:C

IDE:Keil5 for ARM

编写环境:Windows10 64bit

5.2 报警器

编程语言:C++

IDE:Arduino

编写环境:Windows10 64bit

5.3 上位机

编程语言:JavaFX

IDE:IDEA

编写环境:Windows10 64bit

6 成果的测试与使用

连接好设备后，通过上位机可以直观看到体温、血氧浓度和心率的实时数据波形图，上位机实时显示人体的体温、血氧浓度和心率的数据，并且支持在规定时间内采集并且记录数据，最后导出PDF 到PC。在PDF 中，用户可以看到体温、心率和血氧浓度的平均值和身体状态。如果体温发生异常，本系统设计为超过28 度则蜂鸣器发声报警，并且远程报警器也发生报警，做到了全方位防范。