基于單片機和無線通信實現(xiàn)智能睡眠呼吸監(jiān)測與報警系統(tǒng)

作者：陳燃，孫先松，黃強國，羅浩，梅啟程

引言

隨著科技的發(fā)展，人們對睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫(yī)學(xué)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個重要組成部分正在建立和發(fā)展起來。睡眠障礙是許多疾病形成和發(fā)展的重要因素，睡眠的質(zhì)量問題不僅可能引起人體各種生理功能的低下，而且還會導(dǎo)致一系列周身性病變。國外廠家所生產(chǎn)較先進的病人檢測儀，均能在檢測病人心臟功能的同時，檢測病人的呼吸情況，但目前這類儀器價格昂貴且基本為進口，不易在國內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用 。本項目是在計算機技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計的一種新型儀器，通過智能手機和先進的電子技術(shù)，充分運用軟件能力來實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)實時顯示和輸出等功能。

1 系統(tǒng)功能分析

整個系統(tǒng)功能設(shè)計框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對人的呼吸情況進行檢測，主控單元負責(zé)讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機，同時主控單元還對危險的呼吸狀態(tài)進行聲光報警提示，智能手機可以將一段時間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進行顯示，也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用。智能手機端能對下位機工作模式進行控制，對工作狀態(tài)進行顯示。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

硬件電路設(shè)計如圖2所示。在硬件控制系統(tǒng)中，主要由ST公司型號為STM32的MCU提供系統(tǒng)的指示，配合手機端的指令，共同對呼吸狀況進行監(jiān)測和報警。首先，呼吸傳感器將人的原始呼吸幅度的起伏轉(zhuǎn)換為原始電信號［6］，但收集到人的呼吸信號比較微弱，需要經(jīng)過一定的放大后再經(jīng)信號調(diào)整，最后輸送到A/D轉(zhuǎn)換端口，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可由軟件編程進行控制和處理（如對數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)測到呼吸狀況異常，啟動報警機制等），亦可由串口連接無線藍牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機端，讓手機端進行處理。聲光報警由單片機端口連接二極管和蜂鳴器，交由軟件控制其工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 MCU程序設(shè)計

便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報警系統(tǒng)主程序會直接影響到系統(tǒng)的性能，而監(jiān)測的精確度和有效性對系統(tǒng)的功效起決定性作用。單片機程序設(shè)計流程圖如圖3所示。MCU初始化設(shè)置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。A/D轉(zhuǎn)換采樣間隔的合理采取使得MCU能更精確地監(jiān)測，并減少不必要的內(nèi)存空間。若采樣間隔過大，則無法探知危險，不能及時報警和準確地顯示被測者的呼吸質(zhì)量;若采樣間隔過小，則數(shù)據(jù)量過于龐大，給數(shù)據(jù)的存儲和處理帶來困難，也不利于系統(tǒng)高效低耗的運行。串口連接著無線藍牙和WiFi模塊，是MCU與手機端進行交互的跳板，MCU可以單獨完成數(shù)據(jù)的存儲和處理，并及時報警，也可通過與手機端建立聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機端進行處理，再向單片機發(fā)送各種請求。

3.2 手機端程序設(shè)計

手機端主要對MCU起輔助作用，但也能自成一體。與MCU結(jié)合時作為實時報警和監(jiān)測顯示裝置，單獨工作時便對以往呼吸狀況重新顯示，有助于醫(yī)生分析掌握病情。手機端程序設(shè)計如圖4所示。首先，采用人性化界面的設(shè)計，給用戶一個良好的視覺感受，且操作簡單。其次，與無線藍牙和WiFi連接配對，確保數(shù)據(jù)能正常發(fā)送接收。另外，是對將數(shù)據(jù)保存至本地或云平臺，以便能節(jié)省手機儲存空間，隨時隨地調(diào)出歷史數(shù)據(jù)以供醫(yī)生診治。最后，是對數(shù)據(jù)進行處理，通過友好的圖形界面，實時顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時當(dāng)監(jiān)測到不正常呼吸狀況時啟動報警，如手機震動或發(fā)出報警鈴聲等。

4 系統(tǒng)功能測試說明

本系統(tǒng)采用的功能測試流程如圖5所示。

4.1 呼吸傳感器設(shè)計

呼吸質(zhì)量的監(jiān)測有多種指標，結(jié)合現(xiàn)實因素考慮，最終選擇方案為通過磁感應(yīng)來獲得所需要的信息，人呼吸時的起伏帶動磁通量的變化，再將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電信號，不斷調(diào)整放大倍數(shù)，獲得精確有效的信息［8］。

4.2 下位機控制藍牙和WiFi模塊進行通信

WiFi模塊與藍牙模塊的配置如下

藍牙配置：

AT/*測試通訊*/

AT+NAMEbreath/*修改藍牙名稱為breath*/

AT+BAUD4 /*修改波特率為9600*/

AT+PIN1234 /*修改配對密碼為1234*/

WiFi模塊配置：

at+netmode=2

at+dhcpd=0

at+wifi_conf=breath，wpawpa2_aes，12345678

at+dhcpc=1

at+net_ip=0.0.0.0，0.0.0.0，0.0.0.0

at+net_dns=0.0.0.0，0.0.0.0

at+remotepro=tcp

at+mode=server

at+remoteip=192.168.11.245

at+remoteport=8080

at+CLport=

at+timeout=0

at+uart=115200，8，n，1

at+uartpacklen=64

at+uartpacktimeout=10

at+net_commit=1

at+reconn=1

無線藍牙模塊和WiFi模塊能與MCU正常連接，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3 主控單元監(jiān)測分析傳感器數(shù)據(jù)進行聲光報警

給出一定的模擬信號，主控單元能正確的識別出不正常的呼吸狀況，并啟動報警，LED燈開始閃爍，蜂鳴器開始發(fā)聲［9］。

4.4 各功能單元工作狀態(tài)的控制與低功耗設(shè)計工作

后期精簡不必要的元件，縮小儀器的體積。器件的選擇，在確保精確度的前提下，使用低功耗的器件，適當(dāng)修繕主程序，使其更高效穩(wěn)定工作。

4.5 上位機手機端的高度智能化、人性化的軟件設(shè)計

MCU與手機間的無線通信要求二者建立協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時傳輸一些特定的命令指令來維持系統(tǒng)的運行。

MCU與手機端的協(xié)議如下

命令格式

$000# 停機

$001# MCU啟動

$002#測試單個數(shù)據(jù)

$003#測試連續(xù)數(shù)據(jù)

$004#讀取MCU狀態(tài)

$005#讀取MCU數(shù)據(jù)長度

$006#讀取指定數(shù)據(jù)長度

$007#讀取命令數(shù)據(jù)

$008#發(fā)動報警機制

數(shù)據(jù)格式

單個數(shù)據(jù)格式：&___#

連續(xù)數(shù)據(jù)格式：%________________#

固定長度數(shù)據(jù)格式：@__________#（10位）

5 結(jié)束語

低價格高實用性的呼吸監(jiān)測儀，有很大的市場，特別對于有睡眠呼吸障礙的人群，該儀器不僅可以對睡眠呼吸的不正常狀態(tài)實時報警，還可以記錄整個睡眠過程中的呼吸狀態(tài)，便于本人及醫(yī)生分析掌握病情，從而為廣大呼吸暫停低通氣癥患者帶來更好的、科學(xué)的監(jiān)護和診治。同時該儀器還能使用無線通信與智能手機結(jié)合，智能化程度高，更加人性化。

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