基于蓝牙的物联网多生理参数监测系统

2021-03-29

物联网技术 2021年3期

（广西医科大学生物医学工程学院，广西南宁 530021）

0 引言

目前临床上使用的监护仪大多采用有线方式传输数据，密布的导线增加了布置监护仪的困难，如狭小的救护车上。同时医生只有站在仪器前才能查看体征数据，当需要管理多位病人时，医生需要来回走动，增大了工作量，延误了救治时间。此外，这些监护仪普遍缺乏数据存储功能，给医生分析、录入病人历史数据带来了困难[1]。在此背景下，本文介绍了一款基于蓝牙的物联网多生理参数监测系统，该系统可以监测、管理病人的体温、脉率和脉搏数据，并通过蓝牙远程传输至手机或电脑，解决目前临床监测体温时所面临的问题。

1 总体设计

设计框图如图1所示。体温监测系统采用12C5A60S2单片机作为控制芯片，红外测温模块采用MLX90614红外温度传感器，该传感器通过I/O口与单片机相连。通过TCRT5000红外传感器采集脉搏波信号，采集后的信号经过放大、滤波后，一路信号输入单片机内置A/D转成数字信号，得到脉搏波；另一路经过整形电路转成方波信号输入单片机I/O口计算脉率。蓝牙模块采用HC-05芯片，该芯片与单片机通过串口通信，单片机将传感器采集的体温值和脉率通过串口发送给HC-05，HC-05再通过蓝牙将数据传送给手机或电脑等，由此实现远程监测病人体征数据的目标。

图1 系统框图

2 红外测温模块

红外测温模块采用Melexis公司出品的MLX90614系列高精度红外测温芯片，为TO-39封装，封装中集成了红外测温传感器芯片和用于信号处理的芯片。信号处理芯片具有低噪声放大、高精度数模转换、数字信号处理等功能。温度计进行了出厂校准，以满足高精度和高分辨率的要求。MLX90614有默认的SMBus（系统管理总线）和10位数字PWM输出模式，此PWM模式可应用于连续监测物体温度，监测温度范围为-20～120 ℃，分辨率[2]为0.14 ℃，其内部结构如图2所示。

图2 MLX90614内部结构

MLX90614采用标准TO-39封装，该封装有4个引脚，分别为SCL/Vz、PWM/SDA、VSS和VDD，各引脚功能见表1所列。

表1 XLM90614引脚功能

MLX90614与单片机连接时，将SCL、PWM/SDA引脚直接连接单片的I/O口，如图3所示。

图3 MLX90614与单片机连接电路

3 脉搏采集模块

特定波长红外线对于血管末端血液容积的变化十分敏感，利用此特性可以检测由于心脏跳动而引起血管末端血液中血氧蛋白含量的变化。此信号经放大、滤波等处理后，可以输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，进而计算出脉率。此种方法所得信号即基于PPG的脉搏波信号（光电容积描记的脉搏波信号）[3]。此方法无创且测量结果较精确，只需测量患者手指末端的毛细血管即可得到脉搏波信号，适合长期监测。

本设计采用TCRT5000红外传感器采集脉搏信号，其电路结构如图4所示。工作原理：接通5 V电源使红外发射管发光，红外发射管将红外线射向人体，将透过皮肤组织反射回来的光射入接收管。通过检测接收管的电流感知反射平面的反射强度，根据电流强弱，输出不同强度的脉搏波。

图4 TCRT5000电路原理

3.1 放大电路

放大电路原理如图5所示。本项目设计了一个两级放大电路，两级均采用OP07运算放大器。两块OP07采用5 V单电源供电，第一级放大倍数为40倍。

图5 放大电路原理

第二级放大倍数为20倍，两级放大电路的放大倍数为20×40=800倍。

3.2 滤波电路

滤波电路如图6所示。10 kΩ电阻和0.47 μF电容组成二阶RC低通滤波器，截止频率为14.91 Hz。当输入信号的频率大于截止频率14.91 Hz时，滤波电路会将该信号滤除，同时，电路中50 Hz的工频干扰也将被滤除。

图6 滤波电路原理

3.3 模数转换电路

为了计算脉率，还需将脉搏波信号整形成数字方波信号输入单片机进行计算。模数转换电路如图7所示，采用运算放大器LM358搭建比较器，单电源5 V供电。脉搏波信号从运放的正向输入端输入，向反向输入端输入3 V电压，当输入的脉搏波信号大于3 V时运放输出3.8 V电压，反之，运放输出0 V电压，将脉搏波信号转换成方波信号。方波信号输入单片机I/O口，计算方波频率，从而算出脉率。

图7 模数转换电路原理

4 蓝牙模块

为了实现物联功能，本设计采用HC-05蓝牙模块实现蓝牙远程监测体征参数功能。将蓝牙模块波特率设置为9 600 b/s，从机工作模式，与单片机串口相连接。用户可以将手机、电脑等带有蓝牙功能的上位机与HC-05模块相连，单片机将传感器采集的数据通过串口传给HC-05，HC-05收到数据后再通过蓝牙无线传输给上位机，从而实现通过上位机远程监控体征数据的目的。