人体健康监测系统设计

人体健康监测系统设计

王振兴

万可电子（天津）有限公司  天津市武清开发区  301700

摘要：生活节奏加快，生活和工作压力加大，导致人们健康多处于亚健康状态，且在健康意识日益深入的情势下，通过方便快捷的方式获取人体生理状况成为迫切需求。血压、脉搏和体温是人体非常关键的生理指标，在临床上通常作为检查疾病与判断医疗成效的重要依据。

关键词：人体；健康监测；系统设计

引言

老龄化的加快以及很多慢性病的愈来愈年轻化，导致人们的身体普遍处于一种亚健康状态，对人体健康的监测成为亟待解决的问题。一般而言，人体健康参数有心率、血压、血氧饱和度等，不同生理信号可以反映出身体不同方面的变化。其中，心率和体温更是非常重要的两个身体健康指标。

1方案设计与器件选型

1.1总体设计方案

该系统通过使用心率和温度传感器来测量人们的心率和体温信息，这些信息可以显示在显示屏上，也可以通过手机App查看。当上述信息超过或低于设定的阈值时，蜂鸣器会发生报警。

1.2关键器件选型

1.2.1控制器选型

在该系统中，选择了STM32系列单片机STM32F103c8T6作为控制器。其是ST公司基于ARM内核设计的微控制器，专为高性能、低功耗、低成本，性能优越。

1.2.2心率监测器件选型

该系统需要监测心率信息，选择了高性价比、低功耗的MAX30102芯片。其工作温度-40℃+85℃，微细5.6mm×3.3mm×1.55mm的14引脚封装，主要用在可穿戴设备以及健美辅助设备。

1.2.3温度监测器件选型

该系统选用了DS18B20，其是常用的数字温度传感器，模块体积小，其测温范围在-55℃～+125℃，其输出的是数字信号，具有体积小、抗干扰能力强、精度高的特点。

1.2.4数据通信器件选型

该文选择了Wi-Fi通信的方式进行监测终端和手机的信号传输。Wi-Fi通信最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps；在覆盖范围方面，Wi-Fi的有效距离可达约100m，随着Wi-Fi技术的发展，覆盖范围也正在不断增加。选用的ESP8266模块是乐鑫公司研发设计的一款物联网专用芯片，是面向物联网应用的高性价比、高度集成的Wi-FiMCU。

2系统硬件设计与实现

2.1脉搏波传感模块

脉搏波检测模块采用天津惊帆科技的JFH111智能健康监测模块，JFH111脉搏波传感模块是天津惊帆科技有限公司研发生产的基于多光谱的生理数据检测模块，可以准确地检测出人体的心率、血氧、血压以及血管微循环等健康参数。检测模块集成了信号调理技术和特定检测算法，用户系统只需通过串口即可和模块通信，直接获得脉搏波形、心率值、血氧值和血管微循环参数。JFH111模块除了拥有独立运算分析外，还可利用“云端”大数据分析技术提供更多信息，例如血压趋势、呼吸频率、心率变异性等等信息。

2.2硬件电路设计

控制器选型STM32等常用的微控制器，片上资源丰富，开发生态完备，设计简单快速。系统各模块的电路连接相对比较简单，其中，JFH111脉搏波传感模块与控制器的通信连接只需要通过UART即可实现；系统显示屏通过SPI接口与控制器连接；按键通过IO口与控制连接；通信模块通过UART接口与控制器实现通信，通信模块可以由蓝牙模块或WiFi模块来实现健康监测数据的无线传输。

2.3血压脉搏测量模块

血压脉搏测量模块主要是由Sensor101电容式压力传感器、74HC02芯片和充放气装置构成，Sensor101传感器和74HC02芯片完成对血压和脉搏的测量任务。Sensor101电容式压力传感器在电路中相当于一个可变电容。Sensor101传感器输出的信号为数字信号，不需要经过A/D转换，电路图设计简单。74HC02芯片实现4路2输入或非门功能。Sensor101传感器输出的频率值与所受的压力值呈反比例关系，即当受到的压力变大时，极板间距离变小，电容值变大，输出的频率值变小;反之，输出的频率值将增大。。单片机可使用内部定时器进行同步计数得到压力传感器输入的频率值。

2.4报警显示模块

由于设计中需要显示的字符较多，因此选用LCD1602液晶显示器。单片机将显示指令和显示内容通过P0口传输给液晶显示器。当系统测得的血压、脉搏、体温超出正常范围时，蜂鸣器发出报警声音，提示被测者生理指标异常。当测得到的生理指标超出正常范围时，单片机端口P1．3输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出声音;端口P1．3输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器不发声。程序中改变单片机P1．3引脚输出波形的频率，可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音，用于提示不同生理指标异常。

2.5电源模块

本系统设计中，充气泵电路和电磁阀电路需要使用+6V电源，单片机、液晶屏、温度传感器等需要使用+5V电源。为方便实用，系统设计使用AMS1117—5低压差稳压器设计稳压电路，输出+5V直流电源。

3系统软件设计机APP

本系统软件设计主要包括监测终端软件设计和手设计。监控终端软件设计包括单片机初始化程序、体温、脉搏传感器驱动程序、LCD驱动程序、蓝牙模块驱动程序等。手机APP设计包括数据接收、数据显示和数据保存三大方面。

3.1监测终端软件设计

单片机初始化程序包括I/O口初始化、串口初始化、定时器初始化等[5]。体温传感器驱动程序主要为控制TLC1549芯片完成电压值的A/D转换，并读取A/D转换后的数字量用于体温值的计算。脉搏传感器驱动程序实现的是对脉搏信号的计数功能。首先完成定时器0和外部中断0的初始化，即设置定时器0的工作模式，外部中断0的触发方式等。初始化完成后通过外部中断服务程序和定时器终端服务程序来完成规定时间内脉搏信号的计数功能。LCD驱动程序包括1602显示屏的初始化程序、字符读写操作程序以及字符显示程序。该部分程序设计好以后主程序可直接通过调用显示函数将体温、脉搏数据在LCD屏幕上以指定格式显示。蓝牙模块驱动程序中首先进行串口的初始化，设置蓝牙串口的工作方式、数据格式以及波特率，它实现的是把处理后的体温、脉搏等信息发送至手机APP。

3.2手机APP设计

手机APP设计采用AppInventor设计完成。实现数据接收首先需要完成的是手机蓝牙与监控端HC⁃05蓝牙模块进行配对，配对成功以后，利用AppInventor中自带的蓝牙客户端组件实现数据的接收。数据接收完成后，在AppInventor中搭建代码来判断获取的体温、脉搏值是否正常。如超出正常范围，APP自动给出相应的健康建议，同时界面图形将发生相应的颜色变化来提示用户当前的健康状态。每次测量完毕后，利用AppIn⁃ventor中的微数据库组件保存当前测量的体温、脉搏等信息，同时利用计时器组件获取系统当前时间，并将之保存在微数据库中。本系统的手机APP主要实现的功能有：开机画面、用户登录注册、接收数据、动态显示数据、分析判断数据、给出健康建议以及保存数据。打开手机APP，首先点击注册按钮进入注册界面填写相关的信息，用户注册完成后即可进行登录。用户登录成功后界面将自动跳转到APP的主界面即健康测量界面，它的主要功能是实时数据的显示。当蓝牙连接完成后，就可以进行实时数据的接收与显示，点击开始测量按钮，界面上将会开始动态显示体温和脉搏数据，图5为健康测量界面。最后手机APP能根据成人心率60~100次/min，体温36~37℃的参考值，对不同测量结果的测量值给出相应的健康建议。健康记录界面用于历史测量数据的显示。APP将监控终端采集到的历史数据保存在数据库中，实现了数据的无纸化记录。用户想要查看以往的测量记录时，本系统设计了两种人性化的界面显示历史数据：一是以文本形式一条条在健康记录界面显示；二是将近期数据绘制成折线图显示。

结语

人体健康状态监测系统，可以采集人体实时的心率和体温这两项数据，同时在手机和显示屏上会有相关文字的通知。当心率和温度超过或低于一定安全范围时，会有紧急报警功能。并且该系统可以通过手机查看相关心率和温度数据。通过系统测试可以验证该系统适用性强，具有很高的推广价值。

参考文献

[1]戴世诚.基于心音信号的血压评估系统的设计与实现[D].南京邮电大学,2020.

[2]陈光毅.人体健康指标实时监测系统[D].哈尔滨理工大学,2017.

[3]胡进德.单片机STM32F103C8T6的红外遥控器解码系

统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2019,19(10):78-81,85.