基于互联网的可穿戴脉搏监测系统设计

引言

随着互联网技术、无线通信技术以及生物传感器技术的进一步发展，可供病人在医院、家庭等环境中使用的可穿戴健康监测预警系统已成为国内外研究人员关注的热点。

本文设计了一种应用互联网技术的可穿戴脉搏检测系统，完成对被病人脉搏跳动情况的实时远程监测。病人只需将脉搏监测仪配戴于手指上，脉搏跳动波形即被实时地上传到服务器，医生和病人均可通过电脑或手机登录服务器，查看脉搏情况，同时，服务器会对脉搏信号异常的病人会发出报警提示，方便医生进行专门的救治工作。经过实验测试：系统具有性能稳定、穿戴方便、成本低廉，应用前景广泛等特点。

1、总体设计方案

系统架构如图1所示，包括硬件系统和服务器两部分。硬件系统主要包括传感器模块、WiFi模块、电源模块和控制模块。通过脉搏传感器测量人体脉搏信号，脉搏信号经过滤波、放大再由STM32微处理器进行采样得到较为精确的人体脉搏信号。采样处理后的信号通过WiFi的方式传输至服务器。服务器为利用PHP编程语言编写的一个脉搏信号实时显示的网站，可以通过电脑或手机登陆。

图1  系统总体架构

2、系统硬件设计

2．1、控制系统

综合芯片价格、功耗、功能等各种因素，选择了STM32F103微控制器，能够很好地满足本控制系统的设计要求，此外，STM32具有性能稳定可靠、低功耗、高性价比的特点，因此，非常适合于数据处理量不大，需要对多个外围设备进行控制的场合。

STM32F103微控制器采用3．3V低电压供电，工作频率为72MHz，工作温度范围为－40～105℃，且工作电压极低（2～3．6V），一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

2．2、脉搏传感器

传感器采用光电反射式模拟传感器，由LED绿光发射端和光接收器组成。根据脉搏跳动使得血液浓度不同与绿光的透光性原理，绿光经过手指、耳垂等处，从而光接收器采集到脉搏跳动数据再经滤波放大后输出模拟电压信号。

由于人体的脉搏通常为50～200次/min，对应的频率范围在0．83～3．33Hz之间，幅度一般在毫伏（mV）级水平，因此经过红外检测采集并转换得到的电信号频率非常低。为了仿止信号因外界高频信号干扰而使检测结果有误，信号必须先进行低通滤波，滤除绝大部分的高频干扰。在光接收器后使用了运放MCP6001构成的放大器，将信号放大了330倍，同时采用分压电阻器设置直流偏置电压为电源电压的1/2，使放大后的信号能很好地被AD模块采集。

2．3、WiFi模块

远程监护系统，以无线访问节点（accesspoint，AP）作为接入点，将被检测人员的脉搏数据快速上传至服务器，实时观察脉搏情况。系统采用ESP8266WiFi模块。

　　3、系统软件设计

　　3．1、服务器的搭建

　　网站的建立包括如下3个步骤：注册网站域名、开通网站主机、网站域名解析和网站主机绑定。系统服务器搭建采用GET方法，GET是HTTP中最原始的请求方式，在网页中点击一个超级链接或在地址栏输入一个UＲL均会发送一个GET请求。PHP将GET请求封装在$_GET数组中，请求的变量名是数组的下标，若接收上述请求传递的两个变量ID和Password，使用$_GET［＇id］＇和$_GET［＇password］＇即可。

3．2、网页设计

网页设计采用HTML和PHP结合的方式，制作静态的页面，并且使用了javascript客户端描述语言，从而对动态网页的内容进行改变。充分利用AJAX技术，实现测试数据的实时更新与同步，可以在不重新加载整个网页的情况下，对网页的某部分元素进行更新。

设计了监护中心的服务器界面，通过组建的局域网，监护中心可根据监护人数和监护方式，修改病床号码，查看来自不同病床病人的脉搏跳动波形和每分钟的跳动次数，并具有数据归档、信号处理和病案管理的功能。该系统对病人重要生理参数实施远程监护，在病人病情突然恶化时报警以便医护人员提供及时救治。

4、实验与结果分析

系统实物如图2所示。图中左侧部分为系统硬件组成结构，右侧部分为系统的整体结构。硬件系统尺寸较小，实用性强，可穿戴于手指，对病人的脉搏情况进行检测。

图2  系统实物

为了验证系统的性能，对系统进行了测试。首先，被检测人员配戴系统，按下电源开关，可以看到WiFi模式上的红色指示灯亮，表明WiFi模块正常工作。当绿色指示灯闪烁一下时，表明数据发送了一次。数据通过WiFi模块发送到指定的网页服务器上，通过电脑或者手机登陆网页，即可实时查看脉搏情况。系统测试效果如图3所示。脉搏参数测试如表1所示。

图3   系统测试效果

通过图3和表1可以看到，测试的脉搏信号，与正常的脉搏信号基本一致，误差很小。同时，能够直接观察每分钟的脉搏次数，当次数超过一定的阈值时，发出报警。测量脉搏信息可以长时间保存，登录网址即可查看脉搏跳动的历史记录，有利于疾病的检测与预防。

表1脉搏参数测试

5、结论

提出了一种将互联网技术和可穿戴技术相结合的脉搏检测方案，并设计了一种脉搏检测系统。系统采用的STM32单片机强大的处理能力为人体脉搏体征参数的采集和发送提供了重要的保证，WiFi无线网络技术能够实时的将传感器采集的脉搏参数传送到监护中心的服务器。实验结果表明：该系统性能稳定、穿戴方便，能够实现对病人实时远程监测，为病人下一步的医疗方案提供了重要支持。