基于“去中心化”的人体生理参数检测仪设计

引 言

开发一款易用、易维护的人体生理参数智能检测仪，让自助进行人体心电、脉搏、血氧等生理体征参数的检测成为可能。数据能本地显示、存储、报警，并将检测结果上传到云服务器，实现手机 APP同步显示和数据后处理、数据分享， 也能与远程医疗平台对接。

1 总体设计方案

1.1 系统总体构成

系统由检测仪终端、数据处理云服务器、移动手机端APP 构成。设备通过 WiFi 接入无线网络，云平台采用中国移动 OneNET 云平台，用于存储和后处理数据，进行健康状况分析、预警，移动手机端 APP 用于显示信息以及医患交流、数据分享 [1]。

检测仪硬件主要分为主控板、生理数据采集模块、GPS 模块、数据传输模块、电源管理模块。主控板完成核心控制功能，生理数据采集和后处理由各模块独立完成，再上传主控板，组态串口屏独立完成显示功能，通过 UART 串口与主控板交互。系统功能不再集中到主控板，而是分散到各模块。

1.2 系统功能描述

检测仪终端采集人体生理参数，电容显示屏以图文形式显示相关数据和人机交互。当数据出现异常时，系统远程报警。报警时，对数据进行分析处理，必要时可根据地理位置开展救助。检测仪整机设计方案如图 1 所示。

2 硬件设计详述

根据系统需求分析，核心控制采用 STM32 低功耗系列处理器，具有 4 个 UART 串口 [2]。电源选择可充电大容量锂电池和外部供电双电源系统。WiFi 模块采用通用 ESP8266 模块，液晶屏采用广州大彩公司设计生产的组态串口液晶屏， 位置定位使用中科微 GPS 定位模块 ATGM336H-5N，该模块功耗较低，可使用电池供电，配合一键呼救功能，确保紧急情况下能进行远程定位。上述三模块均采用 UART 接口与MCU 对接。

2.1 体温测量模块

体温测量采用探头式结构，探头放于人体腋下，温度传感器为负温度系数 NTC 热敏电阻，常见的热敏电阻测温范围为 -20 ～ 200 ℃，精度可达 0.1 ℃，符合体温测量要求 [3]。选择热敏电阻型号为 MF54-503E3950FA-30，测温精度 0.01 ℃， 阻值精度 ±0.05% ；

基本温度测量电路如图 2 所示。电路由稳压输入、测温电桥、放大电路构成。稳压输入模块使用稳压芯片 TL431， 体温测量采用电桥和放大电路实现。NTC 电阻位于电桥电路左上臂，放大电路采用 TI 公司设计生产的 OP07 芯片，将热敏电阻随人体温度变化而产生的变化通过电桥输出电压送入放大电路，得到方便测量的电压信号，ADC 采用高精度连续自校准模数转换器 ADS1100，将电信换算成体温数据。为减少误差，还需要进行标定和误差补偿处理，由单片机完成。将体温测量部分电路加上 ADC 传感器、单片机做成相对独立的模块，再通过 UART 接口接入系统核心板，保证数据精度符合医疗行业标准。

2.2 心率血氧测量模块

采用 Maxim 公司设计生产的 MAX30102 芯片作为测量心率血氧参数传感器，数据符合行业标准。该芯片体积小， 可应用在可穿戴设备上实现心率和血氧采集，可佩戴于手指、耳垂和手腕等处。通过标准 I2C 通信接口，将采集到的数值传输给单片机进行后续的心率和血氧计算。

为了进一步提高芯片的实用性和可靠性，将芯片及其周边元件集成在一个模块上，如图 3 所示，使用时通过 I2C 接口接入核心板即可。

图 3 心率血氧测量模块

2.3 组态串口屏模块

显示和人机交互模块采用新型组态串口屏，内部集成TFT 显示驱动、图片字库存储、GUI 操作、RTC 显示、各种组态控件于一体。系统采用 Cortex-M3+ 高速 FPGA 处理器，通过 ARM 实现协议的解析处理和 USB 图片下载，FPGA 主要完成 FLASH 的图片读取和 TFT 控制显示。使用功能相对独立的串口屏，使系统控制功能和显示功能分离，降低了开发难度，缩短了开发周期，可靠性高。

3 系统的软件设计

软件划分为四部分，分别是检测仪的主程序控制 ；ESP8266 模块的 WiFi 接入 ；云平台接入 ；手机端 APP 开发。

3.1 单片机核心控制部分

体温测量模块和血氧测量模块均为独立模块，通过 I2C 接口接入单片机，ESP8266 模块、GPS 定位模块、组态串口屏模块均通过 UART 串口接入单片机 [4]。

显示功能采用组态串口屏，数据显示和人机交互均通过串口发送指令实现，控制功能和人机界面功能分离。因此系统初始化后，运行一个简单的前后台系统即可。

3.2 WiFi接入部分

本文使用 ESP8266 模块接入 WiFi，在其开发平台上利用 Lua 脚本语言实现系统功能，包括 WiFi 智能路由无线连接功能、MQTT 客户端与 MQTT 云服务器端数据通信功能， 由于该模块功能比较成熟，本文不再详述 [5]。

3.3 OneNET云平台

OneNET 是中国移动打造的物联网开发平台，开发文档完善，开发者只需按照 OneNET 平台的规范接入平台，上传设备数据即可。数据存储在云端，需要时可以从云平台下载到本地进行分析处理，平台提供触发器功能，可以将满足条件的数据推送给第三方，本文利用平台的触发器功能，将数据推送到第三方服务器。

4 系统测试

搭建系统后，对终端进行测试，同时开启手机 APP，云平台和手机同步显示生理数据，如图 4 所示。当人体出现异常时，将数据上传至医疗数据处理服务器，医疗数据处理服务器会对监测对象进行定位，位置显示在电子地图上，同时显示报警监测对象的详细数据信息、个人联系方式、详细的地图定位。测试结果表明系统工作稳定，能够实现对人体数据采集、监测与报警、监测对象位置定位等功能。手机 APP 显示测量结果如图 4 所示。

5 结 语

本文提出一种去中心化的新型产品设计思路，类似计算机分布式处理，实现系统功能的去中心化。体温测量模块和血氧模块作为独立模块出现，并单独进行数据处理，保证测量数据符合相关标准，核心处理器 MCU 只负责接收各模块的数据并控制，显示和人机交互部分采用相对独立的组态串口屏，实现控制和显示功能的分离，对 MCU 的资源要求降低。WiFi 接入和 GSP 定位模块也采用了相对独立的模块。各模块功能相对独立，模块内部功能高度内聚，模块之间低耦合，降低了开发难度，提高了系统可靠性，方便后期故障检测和维护。试验表明，本设备数据传输稳定，人机界面友好，这种将功能合理分散的“去中心化设计”思路有很高的借鉴价值。