佩戴式生命体征智能感知系统设计文献综述

 2022-07-27 02:07

  1. 引言

在计算机技术、自动化技术等现代技术高速发展的今天，设备都趋于小型化、精准化、智能化。研究设计便携式小型生命体征参数监测设备契合当今人们对自身健康状态实时关注的要求。例如，智能手环的成功问世和推广给健康生活提供了新的方式，也说明了此类设计具有重要意义和应用前景。而以单片机为核心的设备具有体积小、成本低、技术简单成熟等优点。因此将单片机技术应用到此领域中，有利于加速产品成熟，加速产品向中低端消费人群延伸。

  1. 设计思路

初步设想，系统由单片机、脉搏传感器、温度传感器/呼吸频率传感器、信号调理电路、A/D转换器和无线发送模块等主要模块组成。以脉搏传感器为例，先由脉搏传感器对人体脉搏信号进行采集，并将采集到的信号通过信号调理电路进行放大、滤波等预处理 ，再将预处理后的模拟信号经过 A/D 转换变为数字信号，送入单片机进行计算并显示。

  1. 目前国内外的研究状况

国内：兰州理工大学的王华亮为实现对心血管疾病的无创快速检测,设计了一种由单片机控制的反射式光电脉搏信号实时检测系统[1]。系统通过C8051F020单片机作为控制芯片,由光电脉搏传感器采集脉搏信号,并将采集到的脉搏信号通过放大滤波电路送入单片机。单片机通过内置的12位ADC对脉搏信号进行转换,并对转换后的脉搏数据预处理,根据脉搏波特征计算脉搏速率,并由液晶屏显示。处理后的数据通过蓝牙技术,传输到带有蓝牙的手机中,并对脉搏信号进行进一步的处理。该检测系统有无创、检测方便及操作简单的特点,不仅应用于临床,更适用于家庭使用。脉搏信号检测系统是基于反射式光电脉搏传感器来提取脉搏信号,包括I/V转换电路、放大电路、滤波电路、电压跟随电路等。单片机将处理后的脉搏信号通过UART接口发送到蓝牙模块,进行实时发送。在脉搏信号接收端,通过蓝牙技术将脉搏数据实时传送到手机上,对脉搏信号的生理参数进行记录和分析。

厦门大学的李文耀、王博亮等以PIC18C252单片机为核心设计的一种测量仪[2]。在硬件上使用光传感器采集红外光透过动脉血管后产生的信号,并设计电路实现与PC机的通信;在软件上实现了以PIC18C252单片机为核心的控制程序,实现了数字信号处理算法和计算人体脉率和血氧饱和度(SaO2)的复杂算法,有效地克服了测量信号的漂移和噪声干扰,从而满足临床生理监护的需要。

南京师范大学的阮程设计了一种基于ZigBee技术的无线血氧传感器系统[3]。数据的采集和处理模块采用MSP430单片机。在无线传感器网路中选用超低功耗、自带液晶驱动的MSP430FG439芯片。无线发射模块采用CC2430芯片。它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议,具备较高的接收灵敏度和抗干扰性能,传输速率为250Kb/s,功耗极低。采用该芯片可以为节点上层ZigBee组网等软件的开发和研究提供基础。血氧数据采集节点模块采用RS232串行接口进行数据传输。此血氧数据采集节点模块既可以与无线发射模块串行连接,实现多节点模块的ZigBee协议组网检测监护,也可以直接与PC串口相连构成独立床边血氧监护仪器,仪器组建灵活。另外,借助RS232串行接口与PC机进行数据传输,也非常方便血氧数据采集节点模块的软硬件调试。

武汉轻工大学电子与电气工程学院的李战胜、万叶丽针对目前我国的医疗状况,介绍了一种利用ZigBee技术实现的心率监测设备[4]。该仪器主要采用的控制器是TI公司研究的无线射频芯片CC2430,采用光电传感器作心率传感器使用,将人的心率即脉冲信号转换成电压信号。该系统整体由五个部分组成:分别是心率信号采集与转换部分、处理、显示、报警和无线传输部分。再利用Zig Bee无线技术将数据传送出去,从而可以实现远程测量,为远程医疗提供有利的条件。经过实际测试,该系统不但可以准确地测量不同人群的心率,而且便于携带,体积小,成本低。

国外：印度的S.Das介绍了一种基于单片机（PIC系列）的心率计的设计，该系统能够通过检测血量的变化来捕捉指尖脉搏[5]。使用所设计的装置和标准的心率测量装置测量15名健康正常受试者（21-22岁的学生）在心率和兴奋状态下的心率。被测设备的输出令人满意。此外，所设计的设备是非侵入式设备，可以很容易地在医疗监护系统中找到它的位置。

Kalpana.P.M在一种基于PIC单片机的无线健康监测系统设计中将传感器输出提供给信号调节电路以调节和放大传感器的输出，并将其作为电压值的结果[6]。这些传感器输出与PIC微控制器连接，使用zigbee（MRF24J40）将数据传送到PC。传感器的读数被记录下来，信息被广播到网络中。这些读数被存储，传输，接收并连续显示在服务器中。这提供了一种无痛，自动化的方式来收集大量的传感器数据。最后，通过使用串行通信端口将这些数据发送到基于Visual Basic的软件。

  1. 总结

要实现实用化产品化的设计，在选用单片机、传感器等硬件设备方面需权衡

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