基于物联网的患者远程监测系统测量生命体征

时间：2024-11-11 18:17:30

关键字：物联网 MAX30100 Arduino Nano 33 传感器

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[导读]当我们谈论人体的主要生命体征时，我们需要了解四个主要参数，它们是体温，心率，呼吸频率，血压，由于COVID，氧饱和度已成为我们需要了解的主要参数。在本教程中，我们将制作一个简单的Arduino Nano 33基于物联网的设备，具有多个传感器。该装置可以测量人体的一些重要参数。该设备就像你在icu中看到的DIY多参数监视器，简单得多，由廉价的传感器制成，不适合实际医疗用途。我们将为此目的使用新的Arduino Nano 33 IOT，我们将尝试使这个设备尽可能简单。

当我们谈论人体的主要生命体征时，我们需要了解四个主要参数，它们是体温，心率，呼吸频率，血压，由于COVID，氧饱和度已成为我们需要了解的主要参数。在本教程中，我们将制作一个简单的Arduino Nano 33基于物联网的设备，具有多个传感器。该装置可以测量人体的一些重要参数。该设备就像你在icu中看到的DIY多参数监视器，简单得多，由廉价的传感器制成，不适合实际医疗用途。我们将为此目的使用新的Arduino Nano 33 IOT，我们将尝试使这个设备尽可能简单。

在我们之前的文章中，我们还构建了一个基于物联网的树莓派心跳监测系统，如果你感兴趣，你也可以看看。在本文中，我们将构建一个完整的基于物联网的健康监测系统，可以测量和监测人体的所有重要参数。那么，我们开始吧。

我们的远程病人监测系统所需的组件

该项目所需的组件非常简单，可以在当地的爱好商店找到。要使用物联网构建此特定的健康监控系统，您将需要以下组件。

•Arduino Nano 33 IOT

•MLX90614(数字非接触式红外测温仪)

•AD8232(心率监测器)

•MAX30100脉搏血氧仪和心率传感器

•音频(可选)

•Perfboard

•跳线。

Arduino Nano 33 IoT

Arduino Nano 33 IoT是一款相对较新的Arduino板，我们会稍微介绍一下。它是对原始Arduino Nano的直接升级，目前可以在Arduino Store上获得。它比原始的Arduino Nano便宜，但Nano的克隆价格要便宜得多。那么，当你可以买到上一代的克隆板时，你应该买这款新板吗?这些升级值得吗?

老实说，这取决于你的要求。如果你想在一个紧凑的外形中使用Wi-Fi和BT传感器作为原型，建议你这样做。从这个角度来看，单独购买所有物品并连接它们可能会比Nano 33物联网花费更多的时间和金钱。

那么，新主板有哪些升级呢?很多!最初的Nano没有传感器，没有连接，什么都没有。相比之下，升级后的Nano 33 IoT在相同的外形下包含了许多功能和功能。

•主板的主处理器是低功耗Arm Cortex-M0 32位SAMD21。

•Wi-Fi 2.4G和蓝牙连接由U-Blox NINA-W102低功耗芯片组提供。

•Wi-Fi / BT模块天线采用金属配件的形式，通过一滴热敏胶防止振动。

•微芯片ATECC608A加密芯片，保证通信安全，6轴IMU LSM6DS3

MAX30100 -脉搏血氧仪和心率传感器

MAX30100也是一个基于Microchip的传感器模块。它使用一种叫做PhotoPlethysmography的概念来测量生命数据，作为输出，它给出了一个PPG图。它的工作原理如下图所示。

正如你所看到的，红外/红/绿LED在被摄者的手指上发光。根据心跳、血液中的氧气扩散和其他一些参数，入射波的吸收值或速率会发生变化。通过识别这些变化，我们可以确定氧气水平。

然后由接收器测量传输的波，接收器根据接收到的光量给出电压信号。当光穿过生物组织时，它会被骨骼、皮肤色素以及静脉血和动脉血吸收。由于血液对光的吸收比周围组织更强，因此PPG传感器可以将血流的变化检测为光强度的变化。

PPG的电压信号与流经血管的血流量成正比。使用这种方法，即使血容量的微小变化也可以被检测到，尽管它不能用于量化血的量。PPG信号有几个组成部分，包括与心脏活动相关的动脉血容量变化，调节PPG信号的静脉血容量变化，显示组织光学特性的直流成分，以及体内细微的能量变化。

MAX30100传感器具有红外和红色LED。通常，测量心率和SPO2参数，我们将尝试测量一个额外的参数- HRV或心率变异性。

MLX90614 -体温传感器

MLX90614体温传感器来自Melexis，它使用红外技术来测量人的体温。通常被称为热像仪，这种传感器类似于单像素热像仪，但具有小于3厘米的非常小的范围。此外，与其他红外设备一样，传感器读取误差随着受试者与传感器之间的距离而增加。传感器的图像如下所示。

AD8232心电图传感器

AD8232是一种简单的心率传感器，可以作为心电图绘制图表。ECG是心电图的缩写。该传感器将其信号输出为模拟信号。3.5mm插孔用于生物医学垫连接。

模拟MIC模块

这是一个简单的传感器，记录音频幅度和输出他们作为模拟变化。这在测量呼吸信号时很有用，但它需要大量的信号处理和滤波。因此，它将在单独的博客中进行介绍。注意，有很多模块不具有模拟输出(通常称为拍传感器)。它们可以识别特定振幅以上的声音，但超过这个振幅就没有用了。

128X64 OLED显示屏

我们将在这个项目中使用1.3英寸的OLED I2C显示器。市场上有很多通用的OLED，所以你的OLED可能和我的有点不同。我们将使用的Uglib2库几乎支持您遇到的所有显示器，因此将任何OLED显示器与此库进行接口非常简单。

远程病人监护系统电路图

构建远程健康监测系统的完整示意图如下所示。

上面的原理图显示了与Arduino Nano 33 IoT的所有必要连接。使用的两种类型的传感器是模拟(麦克风，OLED显示器和AD8232)和I2C (mlx90614和MAX3010X)。使用的Arduino Nano 33物联网引脚如下：

A0 - ECG模块AD8232的模拟输出

A1 -麦克风模块的模拟输出

A4 - sda

A5 - SCL

在使用传感器和这个板时，您需要记住一些事情。上述原理图中的工作电压为3V3，因为ECG模块工作在3V3，我们不希望进行不必要的电压转换。上述原理图中使用的电阻器为4.7k。它们应该足以满足3V3的工作电压。我们不会使用额外的引脚LO+， LO- or来减少不必要的复杂性，因为这个项目已经有许多传感器一起工作。您可以参考SparkFun ECG博客了解其使用方法。MLX90614可作为传感器或传感器模块使用。如果您使用裸传感器，您将不得不拉起SCL和SDA线，如原理图所示。此外，请检查您正在购买的MLX90614传感器系列，因为根据功率输入，类型等，有许多变体可供选择，如下所示。

根据原理图组装板后，板看起来像下图。为了方便，我为这个项目开发了一个简单的GP板，因为接口有太多的模块，使用一个面包板处理多个项目是很困难的。为您经常使用的微控制器提供GP板也很有用，以节省时间和不必要的返工，在使用您之前已经与之接口的传感器的项目中。

我建议您放置MLX90614和MAX3010X传感器，使它们重合，并且您可以同时用一根手指将它们覆盖在一起。至于编码部分，我会尽量简洁的解释。

测量和监测生命体征的Arduino代码

构建人体视觉信号检测器的完整代码如下所示，但在继续编写代码之前，我们需要安装所需的库，您可以在Arduino板管理器中找到几乎所有必要的库，我们将从那里安装库，我们需要安装以下库。

Arduino SAMD板

Arduino_LSM6DS3或Sparkfun LSM6DS3 Breakout(供高级使用)

Arduino WifiNINA

Arduino祝福

现在让我们安装库。

除此之外，我们还使用了OLED模块。所以，我们还需要安装OLED库。脉搏血氧计传感器计算SPO2，心率和HRV使用的概念称为PPG或PhotoPlethysmoGraphy，如前所述。MAX3010X库可以使用回调函数识别反射率的脉冲或变化。该函数是一个中断，每次检测到心跳时都会调用该中断。存储连续两次心跳之间的时间间隔来计算HRV参数。每个REPORTING_PERIOD_MS间隔都会计算心率。由于手指用于测量体温，我们对MLX90614传感器测量的值进行了补偿。

设置功能:

循环功能:

循环函数连续获取信号变量(IR， RED， ECG， mic值)，并定期计算参数变量(HR, SPO2， HRV，环境温度，对象温度)(存储为REPORTING_PERIOD_MS)。一旦计算出所有变量和信号值，就会显示在OLED上。因为变量HR和HRV对时间非常敏感，并且依赖于在实际心跳之后调用心跳中断函数的速度，所以我们不能连续更新显示。因此，我们在定期间隔(= DISPLAY_INTERVAL* REPORTING_PERIOD_MS)之后更新它。所有变量和信号值也以CSV格式串行推送，用于数据采集、绘图和存储。示例输出如下所示。遥测格式：hr， spo2, hrv, object_temp, ambient_temp, ir_signal/100, red_signal/100。