基于云平臺(tái)的便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)的研究

摘要：本項(xiàng)目是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新儀器，對(duì)人們睡眠時(shí)的呼吸進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警，可通過智能手機(jī)和先進(jìn)的電子技術(shù)，充分運(yùn)用軟件能力來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和輸出等功能。采用單片機(jī)(MCU)為主控制器，可通過無線藍(lán)牙模塊和無線局域網(wǎng)(WiFi)模塊與智能手機(jī)通信，使之對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并連接云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享。

引言

　　隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫(yī)學(xué)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分正在建立和發(fā)展起來^[1]。睡眠障礙是許多疾病形成和發(fā)展的重要因素，睡眠的質(zhì)量問題不僅可能引起人體各種生理功能的低下，而且還會(huì)導(dǎo)致一系列周身性病變^[2]。國外廠家所生產(chǎn)較先進(jìn)的病人檢測儀，均能在檢測病人心臟功能的同時(shí)，檢測病人的呼吸情況，但目前這類儀器價(jià)格昂貴且基本為進(jìn)口，不易在國內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用^[3] 。本項(xiàng)目是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型儀器，通過智能手機(jī)和先進(jìn)的電子技術(shù)，充分運(yùn)用軟件能力來實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和輸出等功能^[4]。

1 系統(tǒng)功能分析

　　整個(gè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對(duì)人的呼吸情況進(jìn)行檢測，主控單元負(fù)責(zé)讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍(lán)牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)，同時(shí)主控單元還對(duì)危險(xiǎn)的呼吸狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警提示，智能手機(jī)可以將一段時(shí)間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進(jìn)行顯示，也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用。智能手機(jī)端能對(duì)下位機(jī)工作模式進(jìn)行控制，對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

　　硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。在硬件控制系統(tǒng)中，主要由ST公司型號(hào)為STM32的MCU提供系統(tǒng)的指示，配合手機(jī)端的指令，共同對(duì)呼吸狀況進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警。首先，呼吸傳感器將人的原始呼吸幅度的起伏轉(zhuǎn)換為原始電信號(hào)^[6]，但收集到人的呼吸信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)過一定的放大后再經(jīng)信號(hào)調(diào)整，最后輸送到A/D轉(zhuǎn)換端口，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可由軟件編程進(jìn)行控制和處理(如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，監(jiān)測到呼吸狀況異常，啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制等)，亦可由串口連接無線藍(lán)牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端，讓手機(jī)端進(jìn)行處理。聲光報(bào)警由單片機(jī)端口連接二極管和蜂鳴器，交由軟件控制其工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 MCU程序設(shè)計(jì)

　　便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)主程序會(huì)直接影響到系統(tǒng)的性能，而監(jiān)測的精確度和有效性對(duì)系統(tǒng)的功效起決定性作用^[7]。單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。MCU初始化設(shè)置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。A/D轉(zhuǎn)換采樣間隔的合理采取使得MCU能更精確地監(jiān)測，并減少不必要的內(nèi)存空間。若采樣間隔過大，則無法探知危險(xiǎn)，不能及時(shí)報(bào)警和準(zhǔn)確地顯示被測者的呼吸質(zhì)量;若采樣間隔過小，則數(shù)據(jù)量過于龐大，給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理帶來困難，也不利于系統(tǒng)高效低耗的運(yùn)行。串口連接著無線藍(lán)牙和WiFi模塊，是MCU與手機(jī)端進(jìn)行交互的跳板，MCU可以單獨(dú)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，并及時(shí)報(bào)警，也可通過與手機(jī)端建立聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行處理，再向單片機(jī)發(fā)送各種請(qǐng)求。

3.2 手機(jī)端程序設(shè)計(jì)

　　手機(jī)端主要對(duì)MCU起輔助作用，但也能自成一體。與MCU結(jié)合時(shí)作為實(shí)時(shí)報(bào)警和監(jiān)測顯示裝置，單獨(dú)工作時(shí)便對(duì)以往呼吸狀況重新顯示，有助于醫(yī)生分析掌握病情。手機(jī)端程序設(shè)計(jì)如圖4所示。首先，采用人性化界面的設(shè)計(jì)，給用戶一個(gè)良好的視覺感受，且操作簡單。其次，與無線藍(lán)牙和WiFi連接配對(duì)，確保數(shù)據(jù)能正常發(fā)送接收。另外，是對(duì)將數(shù)據(jù)保存至本地或云平臺(tái)，以便能節(jié)省手機(jī)儲(chǔ)存空間，隨時(shí)隨地調(diào)出歷史數(shù)據(jù)以供醫(yī)生診治。最后，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過友好的圖形界面，實(shí)時(shí)顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時(shí)當(dāng)監(jiān)測到不正常呼吸狀況時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，如手機(jī)震動(dòng)或發(fā)出報(bào)警鈴聲等。

4 系統(tǒng)功能測試說明

　　本系統(tǒng)采用的功能測試流程如圖5所示。