基于蓝牙和智能手机的人体多生理参数无线监测系统

引 言

随着人类平均年龄的升高和老龄化速度的加快，慢性疾病发病人数大量增长，现代医疗的重心已逐步由原来的治疗为主转为预防、病后监护恢复为主，这就需要对患者在远离医院的家居或者户外环境中进行实时监护，以便在出现异常情况时能够得到及时救护和治疗，而传统的医疗监护手段难以满足这一需求。随着科学技术的发展，对患者进行远程实时监护成为可能[1-4]。

远程监护的关键是对患者多种生理参数的监测，在对监测数据进行分析的基础上，才能采取相应的救护与治疗措施。本文基于蓝牙和智能手机，设计了一种人体多生理参数无线监测系统，通过可穿戴智能感知节点，对患者体温、血压等多种生理参数进行采集和分析处理，然后以蓝牙方式无线传输给患者携带的智能手机。采集的数据通过 3G上传到指定服务器。监护人员可以使用手机或 PC 客户端应用软件，从服务器获取监测数据，实时监测患者的生理参数，在患者生理状况异常时获得报警信号，查询监测数据的历史记录等[5-7]。

1 系统组成及工作原理

系统组成框图如图 1 所示。该系统由智能感知模块、传输网络和监护终端三部分组成。

(1) 智能感知模块 ：由 n个感知节点和智能手机组成。各感知节点设置成从节点，患者智能终端（手机）采用轮询的方式，获取从各感知节点采集的多种人体生理参数，再传输给服务器。

(2) 传输网络 ：患者智能终端通过 3G 接入Internet将监测数据上传到服务器，监护人员可以使用智能终端设备（智能手机、笔记本电脑、PC 等），通过 3G、LAN、WiFi 等多种方式上网，获取存储在服务器上的监测数据。

(3) 监护终端 ：监护终端可以是智能手机、笔记本电脑、PC等智能终端设备，通过设计相应的客户端应用程序，获取和利用患者生理参数监测数据。

2 智能感知模块设计

本系统的关键在于可穿戴智能感知节点的设计，在硬件设计方面需要合理选用各种器件、精心设计PCB，以满足体积小、重量轻、能耗低、精度高、易穿戴等基本设计要求。除此之外，在软件方面需要研究数据处理的优化算法，以进一步降低能耗、提高采集数据的精度。

2.1 传感器与佩戴方式选择

根据患者需要监护的生理参数，可以选择脉搏、心电、体温、呼吸、血压、血氧、血糖等多种传感器，针对不同传感器测量的要求，确定不同的佩戴方式。目前，实时移动检测血压、血糖等生理参数的传感器尚不成熟，本文仅以脉搏、体温、心电检测为例进行设计。

(1) 脉搏传感器

脉搏采集选用CJMCU-pulse sensor 传感器，该传感器采用光电容积法——利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同来进行脉搏测量，它只有电源、地和信号三根引线，体积超小，可以采用图 2（a）所示方法，将脉搏传感器用绑带缠绕在手指上（或设计成指套），三根导线连接在智能感知模块的主板上，主板可以与手环设计于一体进行佩戴。

(2) 体温传感器

体温采集选用ZMDTSic506F单线数字高精度温度传感器，该传感器测温范围为－ 10°C～60°C，分辨率为 0.1°C， 在 40°C范围内精度为±0.1°C，满足人体体温测量的需要。它也有电源、地和信号三根引线，体积超小，可以将温度传感器与体温感知节点进行一体化设计，采用图 2（b）所示方法， 将体温感知节点做成臂带缠绕在手臂上，使温度传感器置于腋下，进行体温的精确测量。

(3) 心电传感器

心电采集选用BMD101 微型心电传感器，该传感器可使用两个金属干性电极直接进行心电信号采集，仅有电源、地和两个电极四根引线，具有蓝牙传输功能，采用图 2（c）所示佩戴方式，将两个电极和主板安装于胸带的合适位置，使用时收紧胸带，使两个电极能够很好地接触皮肤。

2.2 感知节点硬件设计

感知节点组成框图如图 3 所示，由生理参数传感器、单片机和蓝牙模块组成，其中，蓝牙模块需要设置成从模块。

以脉搏智能感知节点为例，其硬件电路如图 4 所示。脉搏传感器 CJMCU-pulse sensor 的信号线直接连接到单片机的IO 口（P1.0）。

单片机型号为STC12C5A60S2，是感知节点的主控芯片， 选用LQFP44 封装以减小体积。STC12C5A60S2 是单时钟/ 机器周期的单片机，具有高速、低功耗、超抗干扰的优势，包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/ 计数器、UART 串口、I/O 接口、高速 A/D 转换、SPI 接口、PCA、看门狗及片内R/C 振荡器和外部晶体振荡电路等模块， 几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，满足智能感知节点的设计要求。

蓝牙模块采用智能无线数据传输BLK-MD-HC-05 模块， 该模块采用英国CSR 公司 BlueCore4-Ext 芯片，支持 UART、USB、SPI、PCM、SPDIF 等接口，并支持SPP 蓝牙串口协议， 具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点。

2.3 感知节点软件设计

感知节点软件设计流程图如图 5 所示。上电工作后，先进行初始化，将感知节点设置为从节点，设置感知节点名称、密码、波特率等，然后实时采集所监测的生理参数数据，按一定算法处理后进行存储，当接到患者智能手机的连接请求后，将所存储数据传输给手机，传输完毕后关闭与手机的连接， 继续采集数据，进行处理和存储，等待下一次手机的连接请求。

3 患者智能终端软件设计

患者智能终端负责接收各感知节点采集的数据，并负责将它们上传到服务器，其程序流程图如图 6所示。应用程序启动后，首先连接第一个从节点，接收其采集数据并存储；然后， 关闭该节点，连接下一个从节点，接收下一个从节点采集的数据并存储，直至所有感知节点都被轮询一次后，将本轮获取的各感知节点数据一起传输给服务器，然后进行下一轮数据传输。每一轮中，若所有节点连接不上，则提示用户开启各从节点，重新连接或退出程序。

4 应用软件设计

限于篇幅，本文重点讨论多生理参数的采集与传输问题， 但为了验证采集数据的有效性，针对监护人员手持智能终端进行简单应用软件的设计，其功能结构如图 7 所示。

用户进入实时监测模块时，各感知节点采集的体温、脉搏数据等通过患者智能手机传输到服务器，通过服务器实时转发给监护人员手机进行显示，从而实现实时监测，同时，监测数据可以存储于服务器数据库中。当用户进入历史记录模块时，可以输入查询的起止时间，对采集的历史数据进行查询， 也可以对指定时间段的历史数据进行删除。

监护人员智能终端实时监测界面如图 8 所示。

结 语

本文介绍了基于蓝牙和智能手机的人体多生理参数无线监测系统的实现过程，系统以穿戴式生理参数智能感知节点和手持智能终端为核心，可以很方便地对人体多生理参数进行实时远程监测。监测数据还可以上传至服务器，通过设计相应的应用系统，构成远程医疗监护系统，可大大提高医护效率， 降低医疗费用。

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