基于WiFi的血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)

吳英迪 郭延?xùn)| 張亞寧

摘 要：傳統(tǒng)的無線可穿戴血氧測量設(shè)備的數(shù)據(jù)通常使用藍牙傳輸，需要配合手機APP使用，且數(shù)據(jù)量小，難以依托其數(shù)據(jù)進行復(fù)雜分析。為了解決這一問題，文中設(shè)計了一種使用WiFi將監(jiān)測模塊數(shù)據(jù)直接傳到云上的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)血氧飽和度及心率的采集、傳輸和分析。實驗證明，該系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確地將大量原始采樣數(shù)據(jù)直接上傳至云端，并在云端服務(wù)器的算法和程序配合下實現(xiàn)血氧飽和度和心率的計算，以及數(shù)據(jù)的存儲、查詢、監(jiān)控、告警等功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);WiFi;血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng);MAX30102;ESP8266;STM32L476RG

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們的工作與生活壓力不斷增加，心血管疾病的發(fā)病率在我國居高不下。同時，由于氣候變化、季節(jié)交替、城市人口密集等因素，肺炎等呼吸系統(tǒng)傳染病已成為我國人群的常見疾病和多發(fā)疾病。很多人因為發(fā)現(xiàn)晚、就診不及時導(dǎo)致病情惡化并危及生命，因此對于人體的血氧飽和度和心率信息的監(jiān)控至關(guān)重要。傳統(tǒng)心率血氧儀和可穿戴式脈搏血氧儀通常使用有線方式采集數(shù)據(jù)，并在本地保存。有部分研究者通過藍牙+APP[1]或LoRa基站[2]等方式將數(shù)據(jù)傳到云端。但這些方式均存在缺點：有線傳輸方式可移動性差，無法隨人體實時移動;藍牙傳輸需要配合開發(fā)手機APP，而目前主流的手機操作系統(tǒng)存在丟數(shù)據(jù)等問題;LoRa傳輸需要部署專門的基站，投入和運營成本高。

本文提出了一種基于WiFi技術(shù)的血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用WiFi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，可以很好地解決上述傳輸方式存在的問題。該系統(tǒng)通過WiFi高速數(shù)傳模塊不僅能夠?qū)⒀酢⑿穆噬飩鞲衅鞯妮敵鰯?shù)據(jù)直接傳送至云端，由云端服務(wù)器完成血氧飽和度和心率計算，還為實現(xiàn)復(fù)雜分析算法提供了原始數(shù)據(jù)和算力保障，并降低了數(shù)據(jù)采集端的功耗。此外，系統(tǒng)部署在阿里云服務(wù)器的服務(wù)端，實現(xiàn)了與微信公眾號的對接，可將監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機端，無需額外開發(fā)APP。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案框圖如圖2所示。

傳感器模塊MAX30102在指尖部采集原始脈搏波信號，由單片機處理打包成原始數(shù)據(jù)包，并通過接入WLAN AP（無線接入點）的WiFi串口模塊ESP8266連接到公網(wǎng)，將原始數(shù)據(jù)包經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到云端服務(wù)器進行計算、存儲。在云端服務(wù)器上部署相應(yīng)的服務(wù)，對數(shù)據(jù)進行查詢和監(jiān)控等操作。用戶可以通過微信公眾號查詢，如果出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，相應(yīng)告警也可通過微信公眾號推送到用戶手機端。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括血氧心率傳感器模塊、微控制器模塊、WiFi通信模塊和電源模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計模塊如圖3所示。

血氧心率傳感器模塊使用美信半導(dǎo)體出品的MAX30102模塊，它是一個集成高靈敏度脈搏血氧儀和心率生物傳感器的模塊，含有多個LED、光電檢測器、光學(xué)器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路[3-4]。MAX30102模塊采用1.8 V和3.3 V電源供電，使用標(biāo)準(zhǔn)I2C兼容的通信接口與控制器通信。模塊可通過軟件設(shè)置為功耗幾乎為0的待機狀態(tài)，從而大幅降低平均使用功耗，延長使用時間。

微控制器模塊使用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32L476RG微控制器[5-6]，它基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC內(nèi)核的超低功耗微控制器，工作頻率高達80 MHz，具有單精度浮點單元（FPU），支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，并且實現(xiàn)了全套DSP指令和存儲器保護單元（MPU），加強了應(yīng)用安全，還嵌入了高速存儲器（閃存高達1 MB，SRAM高達128 KB）、用于靜態(tài)存儲器的外接存儲控制器（FSMC）、Quad SPI閃存接口、I2C接口等增強型I/O接口和外設(shè)。

WiFi通信模塊使用樂鑫科技生產(chǎn)的ESP8266EX WiFi通信模塊，它內(nèi)置低功耗32位CPU，并且集成了天線開關(guān)、射頻 balun、功率放大器、低噪聲放大器、濾波器和電源管理模塊[7-8]，支持IEEE 802.11b/g/n協(xié)議和STA/AP/STA+AP三種工作模式[9]，深度睡眠保持電流為10 μA，關(guān)斷電流小于5 μA，是專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品、工業(yè)無線控制、智能家居和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的低功耗WiFi通信模塊[10]。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩部分，分別為STM32L476RG微控制器上運行的脈搏波信號原始數(shù)據(jù)采集、打包、上傳程序和云端服務(wù)器上運行的血氧飽和度和心率計算、存儲、監(jiān)控、告警推送程序。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 服務(wù)器與微信公眾號的對接

用戶可通過微信公眾號查詢血氧、心率數(shù)據(jù)，同時也可以打印MAX30102的原始數(shù)據(jù)信息，如圖5所示。由于ESP8266傳輸速率較高，可以將MAX30102血氧、心率生物傳感器的采樣率設(shè)置為100次/s，采樣精度設(shè)置為18 bit原始數(shù)據(jù)，并全部送至云端服務(wù)器，為進一步診斷與分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 采集端與服務(wù)端數(shù)據(jù)比較

實驗使用STM32L476RG串口打印采集端的原始數(shù)據(jù)包與部署于阿里云的服務(wù)端收集到的原始數(shù)據(jù)包，并進行內(nèi)容比較。采集端和服務(wù)端原始數(shù)據(jù)包的比較結(jié)果見表1所列。

ESP8266 WiFi傳輸模塊能夠可靠、連續(xù)的向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。在測試中，丟包率為0，采集端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)匹配率為100%。

2.3 傳輸時延

ESP8266 WiFi傳輸模塊與阿里云服務(wù)器[11-12]之間的數(shù)據(jù)時延測試結(jié)果見表2所列。實驗中使用的是部署在香港的阿里云共享基本型xn4，處理器為2.5 GHz主頻的Intel Xeon E5-2682 v4（Broadwell），搭配1 GB容量的DDR4內(nèi)存，而ESP8266EX WiFi傳輸模塊部署在北京。根據(jù)連續(xù)30次測試結(jié)果可知，計算傳輸時延的平均值為49.495 4 ms。

2.4 采集端算法與功率

實驗使用德科技（KEYSIGHT） N6705C直流電源分析儀[13]進行檢測，測得單個采集端使用不同算法的功率分布情況如圖6所示，功率平均值見表3所列。

S1采用的算法：將MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云端服務(wù)器，由云端服務(wù)器計算血氧、心率結(jié)果;

S2采用的算法：由采集端根據(jù)MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始體征數(shù)據(jù)計算得到血氧、心率結(jié)果，將計算結(jié)果發(fā)送到云端服務(wù)器;

S3采用的算法：由采集端根據(jù)MAX30102血氧、心率生物傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)計算得到血氧、心率結(jié)果，將計算結(jié)果和原始數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。

當(dāng)采集端數(shù)量較多時，將原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云端進行計算，可以降低采集端的功耗與系統(tǒng)成本。

3 應(yīng)用場景討論

本文提出的基于WiFi技術(shù)的血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)，其發(fā)射模塊與一般藍牙模塊相比擁有更高的傳輸速率，并且采用TCP/IP協(xié)議進行傳輸，具備重傳機制[14]，數(shù)據(jù)包穩(wěn)定性和可靠性高，但同時功耗也比較高。本系統(tǒng)更適合在醫(yī)院、隔離點等被采集人員人數(shù)較多，且需要連續(xù)實時監(jiān)測、快速部署的場景下使用。

2019新型冠狀病毒（COVID-19）爆發(fā)后，在湖北省內(nèi)、中國甚至其他國家傳播，造成了數(shù)以萬計病例的出現(xiàn)，同時也引起了民眾一定程度的恐慌[15]。其中，由于武漢市患者人數(shù)眾多，政府將體育場館、會議中心等公共場所改建為方艙醫(yī)院[16]，短時間內(nèi)收治了大量病患。這些場所在設(shè)計之初已經(jīng)配備了無線接入環(huán)境，可以使本系統(tǒng)快速部署。在該場景下，本系統(tǒng)與使用藍牙模塊進行傳輸?shù)南到y(tǒng)相比，在監(jiān)測人數(shù)、傳輸時延、傳輸可靠性、傳輸數(shù)據(jù)量和部署成本等方面具有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

本文提出的基于WiFi技術(shù)的血氧和心率云監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠性強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、部署成本低等優(yōu)點。在設(shè)計過程中，成功對接了微信公眾號，使信息推送與查詢更加人性化，并且無需開發(fā)額外的APP。在進行大批量部署時，將血氧飽和度和心率計算轉(zhuǎn)移到云端，可降低采集端功耗與成本。

參考文獻

[1]王亞文，龐宇，李國權(quán)，等.一種可穿戴多體征參數(shù)采集裝置的設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（5）：82-85.

[2]吳磊，胡維平.基于LoRa的心率血氧實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計工程，2019，27（14）：97-101.

[3]劉喬壽，王森.基于開放式BLE心率計的研究與設(shè)計[J].電子世界，2018，40（3）：100-104.

[4]朱樂，徐學(xué)軍.一種老年心電突變系統(tǒng)的研究[J].智能計算機與應(yīng)用，2018，8（3）：84-86.

[5]劉磊，王民慧.基于云平臺的互聯(lián)鴿籠控制系統(tǒng)[J].智能計算機與應(yīng)用，2019，9（3）：74-78.

[6]陳北辰，劉志鑫，崔華.智能傳感器實驗平臺設(shè)計[J].電腦與電信，2019，25（11）：61-63.

[7]姚星宇，王春梅，郭宗昊，等.基于GPRS與ESP8266的物聯(lián)網(wǎng)遠程煙霧報警器[J].電子世界，2019，41（23）：189-190.

[8]黃嘉林，陳英杰.基于STM32的聯(lián)網(wǎng)噪聲監(jiān)測儀[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（2）：33-34.

[9]陳凱旋，周世恒，陳濤，等.基于Arduino與OneNET云平臺的簡易智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（12）：88-90.

[10]黃彥銘，寧媛.基于云平臺的智能澆水系統(tǒng)設(shè)計[J].智能計算機與應(yīng)用，2020，10（1）：189-192.

[11]宋建業(yè)，何暖，朱一明，等.基于阿里云平臺的密文數(shù)據(jù)安全去重系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2017，17（3）：39-45.

[12]薛家祥，葉興，吳堅.基于阿里云平臺的光伏發(fā)電智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2019，34（1）：15-19.

[13]祝曉悅.低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)：優(yōu)勢和測試挑戰(zhàn)[J].中國集成電路，2018，27（4）：28-30.

[14]袁勇.嵌入式TCP/IP協(xié)議單片機技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（2）：82-84.

[15]靳英輝，蔡林，程真順，等.新型冠狀病毒（2019-nCoV）感染的肺炎診療快速建議指南（標(biāo)準(zhǔn)版）[J].解放軍醫(yī)學(xué)雜志，2020，45（1）：1-20.

[16]白敏，劉獻強，吳偉強，等.武漢江岸方艙醫(yī)院472例新型冠狀病毒肺炎臨床特征分析[J].臨床薈萃，2020，35（4）：297-301.