人体健康智能监护系统

0 引 言

随着人口老龄化进程的加快，人们对自身健康的关注度越来越高。近二三十年医疗体系逐步完善，早先某些疾病如痢疾、鼠疫等传染病几乎杜绝。医疗上的主要疾病已从急性传染病变为慢性病，如高血压、心脏病、糖尿病和癌症等疾病的预防与治疗后的康复，这些已成为急需解决的问题 [1]。世界卫生组织测评得出 ：世界范围内慢性疾病的发病率呈上升趋势，预计到2025年慢性疾病将成为人类失能的首要原因。而医学研究发现，这些慢性疾病的病发需要经历一个完整的过程 ：从处于低危状态，到中危状态，再到高危状态，最后才到病变状态，最终出现临床症状。在这个有序的过程中，如果能够对人体各项健康指标进行实时检测，就有可能提前发现问题并提前进行预警或干涉性治疗。基于以上目的，本文研究一种人体健康智能监护系统，以解决此类问题。

1 国内外研究现状

近年来人体健康监护系统在国内外均有长足的发展 [2]，现有系统基本具有监护、分析处理及管理等功能。

1.1 国内的研究与开发现状

我国医用监护系统的鼻祖是对心血管疾病的监护。发展到今天，已出现对各种情况的监护系统，如适用于心脑血管、呼吸道、新生儿、妇产科、麻醉、睡眠状况等方面的监护。除对应各种疾病的监护仪外，监护系统的连接形式也由单一的有线系统发展为无线可移动系统、网络系统，可用于床旁、中心监护系统及中心工作站等 [3-5]。

1.2 国外的研究与开发现状

国外开展智能健康监护系统领域的研究较早，并取得了许多优秀成果。例如，GE、西门子、飞利浦等公司相继推出了多参数监护系统 ；荷兰飞利浦基于基站的家庭远程监护系统 ；英国公司的家庭远程医疗监控系统 ；美国AmerieanTeleeare 公司的病人视频监护系统等 [6]。这些系统都应用了目前较先进的计算机技术及通信技术，能够根据病人需要配置监护参数，实现多参数的实时监护 [7]。研究发现，这些系统使用耦合方式将信号调制到音频，利用电话线进行传输，而生理参数模块经过串口与终端相连接，不便于个人携带，整体设备也偏笨重，且设备价格较昂贵，不适用于我国家用医疗环境。

2 人体健康智能监护系统方案

2.1 系统功能需求研究

本文研究的健康监控系统采用 4G 与蓝牙技术，可用于远程网络式监护。该系统的设计宗旨是外观精致，小巧玲珑， 便于携带，操作方便、简洁，检测准确度高，性价比高等。

本文系统能对被检测者进行实时监护，包括对心电、心音、脉搏、体温等各项生理信号的收集、显示、分析处理与网络传输等。该系统能通过公共网络实时将数据传输到监护中心，以实现远程监护。同时，监护中心端也可实现包括对被检测者生理信号数据的接收、显示、管理与分析处理。

其工作原理为 ：通过各种生理检测传感器及模块，对所需要监测的人体各项参数指标如血压、脉搏、体温、心电及心音等数据进行采集，并将采集到的数据由 Internet 网络传送到远程医疗中心，由专业医疗人员对采集到的数据进行整理分析，提供检测者需要的信息反馈与咨询服务，从而实现智能健康监护。在异样的生命指征信号出现时，患者本人可采取一些自救措施，同时也可通过远程通信，将患者状况通知患者家属、社区医生或就近医院的医生。医生通过网络给患者或其家属开具简单的应急医嘱，使患者得到最及时的诊断与救治 [8-9]。

2.2 系统总体设计方案

本文系统由传感器、控制中心、数据通信、医疗中心服务器及 APP 应用五部分组成，可对人体生理需要检测的参数进行实时采集与处理。多参数检测硬件系统由腕带及附着在腕带上的监测盒组成，采用双微处理器，其中 MCU-2 完成各项生命指征信号的采集与分析，MCU-1 完成人机交互与数据通信 [8,10]，将生命特征参数与处理结果通过网络不失真地传送到医院数据接收点。医院服务器智能终端对数据进行分析处理，供主治医师进一步分析诊断，并将诊断结果与医嘱通过 4G 网络发送回患者或监护人。

3 硬件系统设计

3.1 开发板模块

该系统模块结构分为三种 ：CPU 及内存相关模块 ；时钟、外设及电源管理相关模块 ；无线电通信相关模块。

开发板 CC2540的内核是一个单周期的 8051CPU兼容内核，有 SFR，DATA，CODE/XDATA共 3个不同的 storage 访问总线， 工作频率是以单周期访问 SFR，DATA及主SRAM。开发板 CC2540还含括 1个调试接口和 1个 18输入的扩展中断单位。中断控制器有 18个中断源，分为 6个中断组，每组有 4 个中断优先级。当设备从休眠模式回到活动模式时，会请求一个中断服务，其中一些中断还可从空闲模式唤醒设备。开发板CC2540 上的内存仲裁器位于系统中心， 经过 SFR 总线把 CPU，DMA 控制器，物理存储器以及所有外部设备连接在一起。开发板 CC2540 上的时钟与电源管理工作方式为 ：1.8 V 低差稳压器给数字内核与外部设备供电， 具备电源管理功能，可实现不同的供电模式，以利于延长电池寿命，因此可有 5 种不同的复位源来复位设备 [11]。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。

输入输出 I/O 控制器管理通用的 I/O 引脚。CPU 可设置外设模块是否控制某个引脚或是否受软件控制，若是，则每个引脚要设置为一个输入或输出。另外还要考虑是否连接一个下拉或上拉电阻，每个引脚上的 CPU 中断都可以使能。为了确保外设在不同应用程序中的灵活性，每个外设都可在两个不同的 I/O 引脚位置之间选择连接哪个引脚。

开发板 CC2540上的直接内存可访问 DMA（Direct MemoryAccess，DMA）控制器，且能访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源、目标指针及传输计数）可用直接内存访问控制器描述其在存储器的地方配置。

开发板CC2540 上的定时器是 16 位定时器，具备定时器、计数器及脉冲宽度调制功能，其有可编程分频器、16 位周期值及 5 个各自可编程的计数器用于捕获通道。

开发板 CC2540 上的 AES 协议处理器带有 128 位密钥的 AES 算法加密或解密数据，能够支持 IEEE 802.15.4 MAC 安全、ZigBee 网络层与应用层需求的高级加密标准 AES（Advanced Encryption Standard，AES）操作。

3.2 各类传感器

3.2.1 心率及脉搏传感器

本文系统使用的心率传感器是 PulseSensor 传感器，它是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器，将其佩戴于手指、耳垂等处， 通过导线连接可将采集到的模拟信号传输至 Arduino 等单片机以转换为数字信号，再通过 Arduino 等单片机简单计算后就可得到心率数值。此外还可将脉搏波形通过串口上传到电脑显示，其工作原理如图 1 所示 [12]。

3.2.2 温度传感器

本文系统采用 DS18B20 温度传感器测量体温，如图 2 所示，为便于使用，将 DS18B20 外部通过不锈钢探头进行包装。

图 2 温度传感器 DS18B20 实物图

3.2.3 血压传感器

本文系统采用 ANT-US9116-006-N 传感器测量血压。该模块与袖带连接，通过袖带获取人体信息，并将得到的压力转换为电压值，输出的电压信号为静压力信号与脉搏信号的叠加，利用 0.6 ～ 6.4 Hz 的带通滤波器将脉搏信号滤出，放大后传送至单片机，同时也将静压力信号传送至单片机，单片机通过 A/D 转换，将采集到的压力信号量转换为数字量， 再通过特定算法把数字量转换为可读血压值。由于传感器获取到的电压值很小，故使用放大电路，利用 Vout 引脚输出放大后的信号，并对此信号进行放大滤波后传送至单片机进行处理 [13]。

4 数据通信及软件

本文系统数据通信方式除了 4G 还采用了蓝牙方式。蓝牙模块作为智能穿戴设备上的重要通信模块 [14]，配合移动设备，能够使系统更加智能。

4.1 系统蓝牙模块 BT-HC-05

蓝牙通信部分主要使用嵌入式蓝牙串口通信模块 BT- HC-05 作为点对点通信模块，具有命令应答与自主连接两种工作模式。其中，自主连接工作模式分为主（Master）、从（Slave）及回环（Loopback）三种角色。当蓝牙通信模块处于自主连接工作模式时，主动按照事先设定的工作方式进行数据传输。当模块处于命令应答工作模式时，接收到 AT 指令后再进行工作。

4.2 通信模块连接方案

蓝牙模块与终端连接结构图如图 3 所示。

4.3 APP 终端的开发

终端 APP 软件采用微信小程序开发，其效果如图 4 所示。

进行 APP 终端开发时，在微信小程序前端页面加上服务器数据，可直接在微信开发者工具中作为项目打开小程序与服务器进行交互，通过微信原生 API 接口 [15]（网络 API、媒 体 API、数据存储 API、位置 API、设备信息 API、界面 API及开放API）进行。微信小程序为蓝牙提供的蓝牙API有多种 ：初始化蓝牙适配器 ；关闭蓝牙模块，调用该方法将断开所有已建立的连接并释放系统资源 ；获取本机蓝牙适配器状态 ；开始搜寻附近的蓝牙外围设备 ；停止搜寻附近的蓝牙外围设备 ；获取所有已发现的蓝牙设备，包括已和本机处于连接状态的设备 ；获取蓝牙设备所有 Service（服务）；往可写特征写入数据 ；打开通知 [16]（特征值为 notify 的特征 UUID）。

4.4 APP 软件连接网络服务器

客户端的 APP 要实现各种功能，需与网络服务器连接，连接网络服务器则需调用网络 API，普通的 HTTPS 请求，以及通信、上传文件、下载文件、发送网络请求。将本地资源上传到开发者服务器，客户端直接发起 HTTPGET 请求，返回文件的本地临时路径。本地文件的临时路径在小程序本次启动期间可正常使用，若有长久保存的需求，则需主动调用 wx.saveFile，在使用者下次启动小程序时才能访问。客户端展示如图 5 所示。服务器端情况如图 6 所示。

4.5 腾讯云服务器的链接

腾讯云服务器为微信小程序开发提供了一个通用架构， 含有蓝牙设备的电子产品可看作一个服务器，其中的相关配置已配置好，而进行网络连接的云服务器则需自己配置，做好相关配置后，小程序客户端通过调用 API 接口访问服务器URL 即可进行相关操作。

5 结 语

本文研发了人体健康智能监控系统，使用 4G 与蓝牙技术， 系统硬件模块由各类传感器监控模块、控制中心模块、信息传输模块、医疗中心服务器与 APP 应用五部分构成。专用的传感器模块可实现对人体各项生理参数指标的检测与数据收集，然后由远程医疗服务控制中心对采集到的数据进行医疗判断，及时将急症、医嘱及应急方案等信息传输到患者手中。