基于物联网的可穿戴式远程母婴智能监护系统

吴江 秦凤 李昱 潘明明 王愿

西安工业大学电子信息工程学院生物医学工程系，中国·陕西 西安 710000

针对婴儿这一类特殊的人群，他们无法表达自己身体的健康状况。因此，论文设计一套可以持续监测婴儿心率和血氧饱和度，并且可以通过蓝牙传输在智能手机上显示心率和血氧的可穿戴式母婴智能监护系统。该系统采用MAX30102集成传感器实现脉搏信号的采集、滤波、放大、A/D转换等前期处理，通过单片机STM32F103C8T6计算出心率值和血氧饱和度，然后通过串口通讯与JDY-18蓝牙4.2模块实现前端模块和智能手机的无线通信，最后基于安卓手机设计心率和血氧饱和度的显示软件。

心率；血氧饱和度；蓝牙；无线通讯

1 引言

随着生活节奏加快，以及生活质量提高的今天，健康问题越来越为人们所关注。现如今，医院的大型医疗设备显然无法满足日常的体征监测，通过监护仪对母婴的健康进行监护是保证母婴身体健康状况的有效手段之一，可以及时发现母婴在健康上可能存在的问题。而心率和血氧饱和度是反映人体生理状态的两个重要参数，也成为此次可穿戴生理参数监测设备希望反映的两个重要指标。通过对该系统的设计，在一定的程度上可以对孕妇和婴儿起到保护作用[1-2]。

2 可穿戴式母婴智能监护硬件系统设计

系统整体硬件设计总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构设计图

2.1 单片机控制模块

本系统采用STM32F103 作为系统的核心MCU，它是STM32f101的增强型单片机，在32位的MCU中性能最强。具有出众的控制和通讯，非常适合低电压/低功耗的应用场合。

另外，STM32103基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。时钟频率达到72MHz；内置32K到128K的闪存，功耗为36mA，具有多接口、实时功能、数字信号处理，和低电压操作等优点。

2.2 心率血氧采集模块

MAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个红光LED和一个红外光LED、光电检测器、光器件以及带环境光抑制的低噪声电子电路。其原理图如图2所示。

图2 MAX30102模块原理图

MAX30102 采用一个1.8V电源和一个独立用于内部LED的5.0V电源，应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测，佩戴于手指、耳垂和手腕等处。该模块可以通过标准的12C 兼容通信接口可以将采集到的数值传输给STM32单片机进行后续的心率和血氧计算。

2.3 OLED 液晶显示模块

采用带字库的12864 黄蓝屏幕做为显示屏，分辨率为128*64点的OLED显示屏，显示屏为0.97英寸。由于STM32 本身有较大的Flash和RAM，不需要外置字库的支持。因此，本设计采用串行接口驱动OLED模块，GPIO 口模拟显示屏接口时序。OLED显示电路如图3所示。

图3 OLED显示电路电路图

2.4 蓝牙数据传输模块

蓝牙数据传输模块选用了JDY-18蓝牙4.2模块[3]。JDY-18蓝牙模块是基于蓝牙4.2协议标准，工作频段为2.4GHZ范围，调制方式为GFSK，最大发射功率为0db，最大发射距离60m。该模块具有支持用户通过AT命令修改设备名、服务UUID、发射功率、配对密码等指令，方便快捷使用灵活等优点。

3 可穿戴式母婴智能监护软件系统设计

软件功能主要为：数据采集、心率和血氧饱和度计算、刷新显示内容等。这三个过程在时间上是连续的，所以软件设计较为简单，在主循环中按照顺序重复以上三个模块即可。整个系统的流程图如图4所示。

图4 可穿戴式母婴智能监护软件设计流程图

心率即心脏在每min 搏动的次数，用来表示人的心脏搏动节奏的快与慢。安静非运动状态下正常人的心跳速度通常为60次/min到100次/min，大多数人为60～80次/min。通常小孩的心率比大人的要快。论文采用光电容积脉搏波中提取心率，其原理为：当特定波长的光照射到活体组织，由于心脏的舒张与收缩，导致血管中血流量呈现波动性变化，血流量的变化使光在血液中的吸收量也呈现周期性的变化，因此通过传感器采集得到的脉搏信号能反应心脏的搏动情况，因而可以从脉搏信号中提取心率[4-5]。

血氧饱和度（SpO2）是指氧合血红蛋白含量占血红蛋白总量的百分比[2-3]。成人的血液中通常含有4种类型的血红蛋白，即氧合血红蛋白（HbO2）、还原血红蛋白（Hb）、正铁血红蛋白(MetHb)和碳氧血红蛋白（COHb）。正常情况下，后两种血红蛋白的浓度很低，血氧饱和度的测量只测定氧合血红蛋白和还原血红蛋白，正铁血红蛋白和碳氧血红蛋白不包括在内[6-7]。因此，血氧饱和度可由如下公式（1）表示：

论文对心率以及血氧饱和度程序设计流程图如图5所示。

图5 心率血氧饱和度程序流程图

最后，论文对应用界面的设计图如图6所示，图中包括搜索蓝牙设备、显示心率和血氧饱和度等功能。

图6 应用软件界面

4 系统的调试结果与分析

4.1 实验与调试

图7 脉搏信号波形图（50Hz）

如图7所示，是脉搏波信号的波形图，图中显示的是50Hz的频率下，每采集一次数据集时间0.02s，共采集500次，用时10s，脉搏每跳动一次对应一个波形的峰值，上图共有12处峰值。通过计算：

由式（2）计算可知心率值为72次/min。

4.2 数据分析

本次课题选用华为荣耀智能手环进行心率血氧检测对比。选择8名测试者进行实验，每名测试者在静止的状态下测试5次，每次测试间隔5min。本系统的测试位置为测试者的左手食指，智能手环测试的位置为测试者的右手腕处。如表1、表2所示，表1是本系统的测试结果，表2为智能手环的测试结果。

表1 本系统的测试结果

表2 智能手环的测试结果

通过对比表1和表2可算出5次心率测量的平均误差最大为2.2次/min，5次血氧测量平均误差最大为0.8%。

因此，误差分析包括以下内容：

（1）对于心率测量实验的结果，因为同一个人在不同的时间心率值会有所变化，而且测量位置不同也会对测量造成影响，所以心率测量的误差较大。

（2）对于血氧测量实验的结果，因为测量者都属于健康人群，且测量的位置对血氧值的测量基本不会产生影响，所以血氧测量的误差较小。

4.3 运行结果展示

如图8、图9所示，图8为本设计OLED显示屏显示测得的心率和血氧饱和度的两组数值，心率分别为69次/min和74次/min，血氧饱和度均为98%，图9是通过蓝牙传输到Android软件显示图。该软件对本设计测得的心率和血氧饱和度对用户进行一个反馈。结果表明两个测试者的心率值和血氧值都在正常范围之内。

图8 OLED显示图

图9 Android软件显示图

5 结语

本次课题的目的就是设计一个可穿戴式母婴智能监护系统，整个系统控制的单片机选用了STM32系列的STM-32F103C8T6单片机，系统的心率、血氧传感器模块选用MAX30102，数据传输模块选用了JDY-18蓝牙4.2模块，显示模块为OLED显示屏和Android应用软件显示，可以实现对母婴心率及血氧饱和度的实时监测。