基于DA14699芯片的新冠肺炎潜在患者隔离监护项圈的设计与实现

刘晓莎 ，胡平 ，田永毅，汪晓红，夏东盛

1 陕西工业职业技术学院，咸阳市，712000

2 咸阳市新能源及微电网系统重点实验室，咸阳市，712000

0 引言

近年来，由冠状病毒引发的传染性肺炎给全世界人民的健康带来严重威胁[1]。这类病毒具有直接传播、气溶胶传播和接触传播等多种传播形式[2]，引发的病毒性肺炎传染性强，致死率高，已造成全球大流行疫情[3]。

针对上述传染病，对不同情况的病患采取分类分级管理，维持医疗系统的正常负荷运转十分必要。对疫区归来人员或确诊患者的密切接触者，应当实施居家隔离监护措施。居家隔离要求潜在病患在住所内自行隔离至少14 d，期间定时测量体温，汇报发热咳嗽症状，并不得外出。部分潜在感染者出于主客观各种原因，未能严格执行居家隔离政策，给疫情的防控工作带来严重危害[4]。

对于居家隔离的潜在病患，主要关注其三项指标：一是体温；二是咳嗽症状；三是活动范围。基于现有的物联网技术和智能穿戴硬件功能，上述指标可利用便携式自动监护设备，实现不间断地可靠测量，并进行记录。具体分析如下：

（1）体温监测。根据物理学基本定律可知，一切物体处于绝对零度(-273oC)以上时，都会向外界发出红外线[5]。利用高精度的红外传感器，就能接收到人体表面辐射出的红外线，根据红外线的强度大小，结合偏差修正算法，几秒钟内就可准确测量出被隔离者的体温[6]。

（2）咳嗽症状监测。人在咳嗽时，其声门关闭、呼吸肌收缩、肺内压升高，然后声门突然张开，肺内空气喷射而出，这一过程持续多次，不可避免地将会伴随着胸腔的连续多次剧烈振动。上述振动完全可以通过加速度传感器完成可靠监测。三轴甚至六轴数码输出微机电系统（microelectro mechanical systems，MEMS）加速度计广泛应用于智能穿戴设备中，用于计步、运动模式识别等功能，元器件性能成熟可靠，测量精度高。

（3）定位功能。智能穿戴设备主要采用2种定位方式：全球定位系统（global positioning system，GPS）与移动位置服务（location based service，LBS）。GPS接收来自太空中的卫星信号，根据其提供的经纬度坐标值来对地面目标进行定位，范围广，精度高，但卫星信号容易被云层、高山、建筑物等遮挡，导致信号接收困难，甚至难以实现定位[7]。

LBS定位依赖于移动运营商的基站，基站密度越高，网络信号越强，其定位的精确度也越高[8]。这种定位方式操作简便，只要拥有一部可以接收移动网络信号的手机终端，就能够实施定位。此外，这种定位方式抗干扰能力较强[9]。

基于上述分析，提出并设计一个专用于监护隔离状态下的病毒性肺炎潜在患者的智能穿戴设备。其具有可靠的测体温、测咳嗽及测定位3个主要功能，该装置的成功研发将对防疫抗疫工作带来积极有利的影响。

1 系统构成

1.1 主控制器

本方案采用Dialog 公司设计制造的SmartBond系列DA14699蓝牙低功耗多核心微控制单元（microcontroller unit，MCU）作为整套装置的主控制器。DA14699追求性能与功耗的平衡，内建有3个核心：1个基于ARM Cortex M33架构的高性能核心，其主频高达96 MHz，能够应用复杂算法快速处理海量数据；1个基于ARM Cortex M0+架构的低功耗核心，主要用来进行无线通信；还有1个可编程的微型数字信号处理器（digital signal processing，DSP），用于独立的传感器通信以及数据管理。DA14699的软件可编程引擎支持蓝牙BLE 5.1协议，拥有高速的数据传输性能[10]。

DA14699内置了先进的电源管理单元以及丰富的模拟、数字外设。为增强传感功能，该芯片设计了专有的传感器节点控制器（sensor node controller，SNC）[11]，它可以独立处理各接口传输来的传感器数据，非常适合多传感器、低功率的智能穿戴设备应用。

1.2 红外测温传感器

高精度的体温测量模块是智能监护项圈完成其监护功能的必备元件。本项目采用了由迈来芯（Melexis）公司设计制造的MLX90640型红外传感器。该型传感器的红外像素阵列规格为32×24，能够实现各像素完全校准，其外观如图1所示。该传感器采用4引线TO39封装工艺，符合数字接口的行业标准，具有优秀的兼容性和广泛的适用性。MLX90640总计包含有768个远红外线（far infrared ray，FIR）像素，这些像素有序排列，形成一个环境传感器，进而可对芯片周围的环境温度进行测量[12]。该传感器具有自主随机存取存储器（random access memory，RAM），测量数据可存储其中。主控制器可通过集成电路（integated circuit，IC）进行访问。MLX90640适用于高精度的非接触测量，结合特有的红外聚光技术及温差修正算法[13]，能够实现±0.2oC的测量精度，完全能够满足潜在感染者的监护需求。

图1 MLX90640红外传感器外形Fig.1 Shape of MLX90640 infrared sensor

1.3 加速度计

呼吸系统疾病常常引发连续咳嗽，胸腔随之剧烈振动。本方案采用智能项圈的形式，吊坠部分恰好位于胸口部位，利用加速度传感器，就能够对咳嗽症状实现可靠检测。

本项目采用了STMicroelectronics（意法半导体）公司设计制造的LIS3DH微功耗三轴MEMS加速度计，用以测量器件在X、Y、Z三个方向上的加速度情况。芯片内置了1个温度传感器和3路ADC（Analog-to-Digital Converter，模拟数字转换器），具备扩展整合陀螺仪等伴随芯片的能力。

加速度计的测量原理为：感应器件受到惯性力的作用，导致其自身电压发生相应变化。上述电压信号通过芯片内部的ADC转换成量化后的具体数值。LIS3DH支持±2 g/±4 g/±8 g/±16 g（1 g=9.8 m/s2）四种量程，完全满足检测咳嗽症状的要求。该加速度计结合内置的多种算法，具有较高的测量精度[14]。LIS3DH芯片引脚，如图2所示。

图2 LIS3DH引脚Fig.2 Chip pin of LIS3DH

1.4 定位模块

本方案定位模块采用了Mobile Tek（移柯通信）设计制造的L218定位导航芯片。该芯片同时集成了“GPRS+GPS+北斗”模块，其中GPRS支持850/900/1800/1900四个频段，具有低功耗高性能的技术特点。L218静态定位精度高达2.5 m，动态下可检测出0.1 m/s的运动速度。L218采用易于焊接的LCC封装方式，共有47个引脚，内部集成了TCP/IP协议以及快速定位功能。特别适用于对尺寸敏感的跟踪器设备以及其它需要定位能力的应用场合。其功能模块，如图3所示。

图3 L218模块功能框架Fig.3 Module function block diagram of L218

1.5 整体硬件架构

结合前述分析，为满足智能项圈的监护功能，方案的整体硬件架构设计，如图4所示。

图4 智能项圈硬件架构Fig.4 Hardware architecture of smart collar

智能项圈的外形设计，如图5所示。为了能更加有效地检测咳嗽症状，方案将监护设备外形设计成了项圈的形式。集中了处理器和各类传感器的表盘位于吊坠位置，以此来最大程度地感受胸腔在咳嗽时的振动。基于低功耗考虑，应用了单色LCD液晶屏作为显示器[15]，可显示体温及累计的隔离时间。表盘背面是MLX90640的红外感应窗，表盘内的L218芯片与配套的SIM卡联合发挥作用，基于LBS+GPS+北斗系统对人员进行快速定位。表带及接头部分均采用柔性亲肤硅胶材质制作，以此提升人员佩戴的舒适感。

图5 智能项圈外观Fig.5 Smart collar look

2 软件系统设计

2.1 数据采集

病毒性肺炎潜在感染者回归社区后，经过防疫人员的检查和信息登记，即发放智能监护项圈进行佩戴。每个智能项圈有专属的设备码，利用智能蓝牙终端与项圈进行绑定，就可以进行后续的信息传输与读取了。

根据相关传感器要求的测量条件，对各传感器在项圈表盘内的位置进行了合理布局，功能模块布局设计方案，如图6所示。

图6 功能模块布局Fig.6 Functional module layout

2.2 算法设计

针对红外测温模块的技术特性，体温测量程序初步设计方案，如图7所示。当测得的体温值大于37.3oC时，液晶屏示数闪烁，进行报警提示，可手动按键复位报警。

图7 体温测量程序Fig.7 Temperature measurement procedure

利用加速度计内置的ADC转换器，将直接测得的胸腔部位加速度的模拟量，转换成具体数值g(t)。加速度计每隔1 s测量记录一次实时值g(t)。若连续15 s内，g(t)＞g(0)且累计次数超过8次，即认为被隔离者发生了一次咳嗽。g(0)的设定，需要根据实际咳嗽来确定。咳嗽症状的检测判断程序，如图8所示。

图8 咳嗽检测程序Fig.8 Cough detection procedure

病毒性肺炎潜在感染者的活动范围应严格限定在个人住所内。基于LBS定位模块，被监护者的位置信息存储在表盘内，便于防疫人员读取。

2.3 数据传输

防疫人员每隔1 d登门，携带绑定该项圈的智能蓝牙终端，利用DA14699原生支持的蓝牙BLE5.1协议，快速传输项圈内存储的体温、加速度及定位信息。此外，由于蓝牙传输的距离长达10 m，故防疫人员与潜在患者可实现无接触监护，这大大降低了防疫人员的被感染风险。

2.4 曲线显示

防疫人员手持智能蓝牙终端，连接智能项圈后，读取的数据便可在屏幕上进行直观展示。智能终端APP显示界面，如图9所示。

图9 智能终端APP显示界面Fig.9 APP display interface of intelligent terminal

从显示界面看，体温、咳嗽与位置等核心信息分别独立显示，并可在点击后于下部区域展示详情。顶部位置设计为概览，可显示隔离累计时间、异常项总貌等，方便防疫人员迅速获得被隔离者的当前身体状况。

3 测试与评价

系统开发完成后，选择2名感冒人员（编号A、B）和1名健康人员（编号C）先期进行了1 d的连续监测，根据监测曲线，重新调整设置了相关参数。

调试完毕后，对3名测试人员进行了连续3 d的跟踪测量。利用医用额温枪随机测量体温，并与智能项圈表盘实时显示的数值进行比对，结果如表1所示。

表1 体温测量检验Tab.1 The thermometry test

从表1可知，智能项圈与额温枪所测数值偏差均＜1%，因而具有较高的测量精度，能够满足隔离监护的要求。

针对咳嗽症状判断准确性的检验，主要采用人工计数的方式。通过比对人工计数与项圈计数，对项圈测咳嗽功能进行评估。检验结果如表2所示。

从表2可知，加速度计反应灵敏，配合咳嗽检测程序，能够准确识别病人的咳嗽，准确率为100%。

表2 咳嗽次数检验Tab.2 The cough frequency test

定位功能的校验过程：被测人员每隔1 h，移动至另一栋居民楼。移动完成后，查看其项圈的实时定位信息。结果表明，测量数据能够随人员位置变动而变化，反应灵敏，定位快速。

综合上述测验结果，本项目开发的智能项圈核心参数测量功能可靠，精度较高，确实可以起到居家隔离监护的功能，应用推广后能够大大减轻防疫人员的工作强度。

4 不足与改进

本项目所研发设计的智能项圈装置，为针对特定功能进行的组合式创新，对广泛应用的测温、测振及测坐标等各传感器及芯片实施了优化整合，这些元器件经受市场考验，功能可靠。项目试验期间，受疫情期间隔离政策影响，未能进行较大规模的有效性验证，后续工作将进一步开展试验，并根据数据优化相关功能参数与判断逻辑。

受环境复杂性影响，装置的测量存在误差：在测咳嗽过程中，正常的喷嚏、突发的上身运动等都会对振动传感器形成干扰；小区附近通讯基站密度较低，也将大大影响人员坐标的测量精度。上述不足有待进一步的优化完善，后期将联合有关医疗器械企业共同开发，围绕便携可靠改进产品。

完成了呼吸道传染病智能监控项圈的概念性设计与原理性验证工作，希望能够引起业内注意，最终促成该型设备的研发制造，进而满足疫情常态化防控的需求。

5 结语

针对冠状病毒引发的传染性肺炎，依据其发热咳嗽等典型症状，开发设计了集测温、测振和定位功能于一体的医疗用智能监护项圈。设备以DA14699无线多核MCU为主控制器，搭配LIS3DH三轴加速度计、MLX90640红外传感器及L218多源定位模块，实现了居家隔离监护的全自动化。经调试调整，核心参数测量准确，监护数据连续完整，大大提高了社区防疫人员对居家隔离者的监护水平，具有较好的应用推广前景。