基于物联网技术的新型生命体征监测装置研究

顾瞻

［捷普科技（上海）有限公司，上海 200233］

0 引言

目前市场上的智能可穿戴设备，如智能手环、智能手表等，佩戴于人体皮肤表面，一般可监测佩戴者的心率、血氧、步数等，记录的体征信息有限，且只能本地查看。对于一些从事特殊运动的运动员，比如橄榄球运动，这类运动比较激烈，运动员在高强度的对抗过程中容易遭受身体冲击，如未及时发现潜在的伤害，可能导致病情延误或恶化。基于橄榄球运动员佩戴专用牙套的场景，可以在牙套中集成相应的传感器和物联网通信模块，实时采集运动员更全面的体征信息，如头部受到的冲击力度、运动轨迹、体温、唾液酸碱度变化等关键生命体征，并实时上传云端服务器，医护人员可以通过这些数据，对运动员的身体和运动状态进行监测和保护。本文将介绍一种适用于此类场景的智能牙套的实现方案，除了运动场景，通过调整集成的功能，也可应用到其他佩戴牙套的场合。

1 电子控制系统框图

智能牙套集检测、数据处理、数据传输、身份识别、电源管理和无线充电等功能于一身，由主流的嵌入式电子控制系统来实现所有功能，图1 为智能牙套电子控制系统，概览整个系统包含的模块和连接关系。下面将具体介绍各个模块和实现方案。

图1 智能牙套电子控制系统

2 各模块功能介绍与实现方案

2.1 冲击检测模块

一般的微机电系统（micro-electro-mechanical system, MEMS）加速度传感器的量程范围为±2g/±4g/±8g/±16g，这个量程可用于人体的步行和跑步行为的检测，实现计步用途。但在一些更激烈的运动项目中，如橄榄球运动，当运动员之间发生剧烈身体碰撞，头部可能受到远大于16g 的冲击加速度，这种程度的冲击可能对运动员脑部造成伤害，为了检测这种程度冲击，普通加速度传感器会因为超出最大量程而导致数据饱和，此时获得的数据达到上限而无效，因此需要更高量程的加速度传感器，用于冲击检测，可选择±100g/±200g/±400g 量程的加速度传感器。基于以上应用场景，我们在智能牙套装置中，可以集成2 种加速度传感器，普通量程加速度传感器和高量程加速度传感器，分别用于计步以及剧烈冲击检测功能，可以满足精度和幅度的双重需要。传感器采集的运动数据定时通过数据接口，如I2C，传输给微处理器进行运算和存储，如发生异常冲击，传感器可主动向微处理器发起中断警告请求。

2.2 体温检测模块

口腔为人体内腔环境且闭口时没有空气对流造成温度变化，因此口腔温度能够比较准确地反应人体的真实体温。智能牙套佩戴在口腔内部，只需在牙套中集成温度传感器，便可实时检测运动员的体温变化情况。温度传感器的放置位置需要考虑贴近口腔粘膜的位置并采用导热系数比较好的材料，以准确快速地将人体温度传递给温度传感器。传感器采集的温度数据通过数据接口，如I2C，传输给微处理器进行运算和存储。

2.3 唾液酸碱度检测模块

运动员运动前后，根据运动强度不同，体内乳酸含量会发生变化，记录乳酸变化，可用于分析运动员的训练强度和体能状态等。传统采血方式检测，比较烦琐且实时性较差。对此，利用唾液的酸碱度变化反映乳酸变化状态是一种更加简便和实时的采集方式。

利用智能牙套佩戴于口腔内的场景，可以直接与人体唾液接触，选择小型化的酸碱度传感器集成在智能牙套中，便可以实时监测唾液的酸碱度变化情况。需要考虑酸碱度传感器放置位置，使检测电极可以与口腔内唾液充分接触并保持一定的流动性。传感器实时检测的唾液酸碱度，本方案选用的传感器采用模拟电压输出方式，即酸碱度与电压具有线性关系。传感器的电压信号传送给牙套微处理器的模数转换（ADC）模块，微处理器通过模数转换后可获得电压数据，再通过软件按照一定的算法比例关系，计算出酸碱度数据并近似换算为乳酸含量指标。

根据传感器特性不同，有些酸碱度传感器需要考虑温度影响，图2 为笔者测试本方案中选用的酸碱度传感器，在不同温度下检测3 种pH 标准溶液（pH4/pH7/pH10）所得到的数据变化曲线。由图2 可见，随着温度变化，传感器的输出电压值会发生偏移，因此软件算法需要根据这样的变化趋势，对因温度引起的偏移进行补偿，以保证检测数据的准确性。

图2 传感器输出随温度变化曲线

2.4 无线物联网通信模块

为了实时监测运动员的身体状态，智能牙套的传感器所采集的数据需要实时传送给分析人员。为满足运动员佩戴和移动中使用，在智能牙套中集成无线物联网通信模块，将采集数据实时上传云端服务器。根据应用场景的数据量大小、成本和网络覆盖情况，当前LTE-CAT-M/NB-IoT 物联网无线网络技术是比较合适的选择，此无线网络技术的数据速率可以达到1Mbps 左右，可满足数据上传速率需求。

此外，一些LTE-CAT-M/NB-IoT 模块还可集成全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS），位置信息能用于反映运动员在场上的跑动轨迹，可用于赛中和赛后的战术分析等。

除了使用无线模块直接与基站通信，也可以使用蓝牙或者Wi-Fi，通过智能终端或者无线热点，间接实现通信功能。

2.5 身份识别模块

因为智能牙套是口腔内使用的设备，需要做到专人专用以保证卫生需求。外观标签形式的识别烦琐，且容易出错。为了便于大批量的管理和识别，在智能牙套中集成射频识别（radio frequency identification, RFID）电子标签，可使用专门的无线读取设备进行快速识别和管理。

2.6 电源管理模块

智能牙套电子控制系统由锂电池供电，电路中包含电池充放电保护、充电电路以及电源升绛压稳压电路等。因小型化设计，电池体积受到较大限制，无法做到充裕的电池容量，但系统运行时需要处理大量传感器数据，且需要大功率的无线信号发射，对电池维持系统的工作时间提出了较大挑战。因此在电路设计中，需要采用更高效率的电源方案，如使用效率更高的开关电源作为主要电压转换电路，软件上也需要合理设置数据采集和上传频率，达到平衡数据实时性和地功耗的目的。对于充电方式，因为在口腔内使用，传统有线连接充电方式难以做到完全密封，且会对人体安全造成一定风险。无线充电方式可满足密封需求且对人体更安全。目前主流的无线充电技术是WPC 的Qi 标准无线充电技术，功率可达到5W 以上。受智能牙套外形尺寸限制，需特别注意无线充电发射和接收线圈尺寸设计，以达到需求的充电距离和效率。电路调试时，需要根据充电效率调整线圈匹配和充电功率，达到最佳效率值。

3 结语与讨论

智能牙套有别于一般可穿戴产品，佩戴于人体口腔内，可检测人体的更多身体信息，比如乳酸水平，严重头部冲击，体温状况，运动轨迹等。加上无线通信功能可以实时上传数据，根据这些数据可实时对人体状态进行分析。比如用于进行运动员的健康保护，赛场上的战略战术制定，以及场下的训练指导和运动员训练方案调整等。随着新技术的发展，在智能牙套上将可以集成更丰富的传感器，并实现更多创新功能，为人们的健康、生活、娱乐提供更多价值。