基于WiFi 的远程健康监护系统设计

叶琦，赵玉荣，豆全辉，张俊龙，张洪伟

（安徽新华学院，安徽合肥，230088）

0 引言

近年来，健康系统中无线传感器网络的应用明显增加，主要体现在远程健康监护系统、医疗数据访问以及紧急情况下与护理人员通信等领域。使用WiFi，我们可以轻松设计一个简单而有效的系统，进行持续监视患者的状况。可以在正常或紧急情况下如在家中、病房以及重症监护室（ICU）中及时了解患者周围的环境和自身健康程度。

1 系统工作原理

■1.1 功能要求

本设计采用STM32 单片机作为主控MCU，利用WiFi传输的可靠性和稳定性进行双机通信，在从机采集板上安装温湿度传感器DHT11、PM2.5 传感器、烟雾传感器以及心率传感器，还有四个按键，两个继电器，而在主机板上则有两个按键电路、一个蜂鸣器电路和一个LCD12864 液晶显示模块。

具体实现如下的功能：

(1)从机采集板实现对环境温湿度、PM2.5 浓度、烟雾浓度以及病人心率进行采集并通过WiFi 传输到主机；

(2)从机采集板的四个按键可以实现呼叫功能传输到主机板并通过蜂鸣器提醒和液晶显示屏显示相应的按键序号；

(3)主机板可以将收集到的数据实时显示在LCD12864液晶显示器上；

(4)主机板的两个按键可以实现对两个继电器的分别控制。

■1.2 设计方案

本设计采用的是基于Arm®Cortex®-M 处理器的STM32系列单片机。它提供的产品结合了高性能，实时功能，数字信号处理，低功率/低压操作和连接性，同时保持了完全集成和易于开发。系统分为从机采集板和主机操作板，从机采集板将采集到的温湿度数据、PM2.5 浓度、烟雾浓度以及心率通过WiFi 传输到从机操作板，并通过LCD 显示出来，如果有数据异常，主机操作板的蜂鸣器会报警提醒[1]。从机采集板的四个按键分辨代表四个床位，每按下一个按键，主机操作板上的蜂鸣器也会做作响且液晶屏上显示相应的床位号。从机采集板共有两个继电器，充当两个开关，分别控制空气净化设备和加湿器，以便于更好的改善室内环境。具体设计方案如图1 所示。

图1 设计方案框图

2 功能模块介绍

■2.1 烟雾浓度采集电路

烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制路[2]。

MQ-2 型烟雾探测器是属于对二氧化锡半导体气体敏感的材料，属于具有离子表面的N 型半导体。二氧化锡在200-300 摄氏度下从空气中吸收氧气并形成负氧离子，这样能够降低半导体的电子密度，从而增加其电阻。与烟接触时，表面电导率会随着烟气调节改变对晶界的潜在障碍而发生变化。有了这些信息，就可以知道这种烟雾的存在。密度越高的烟雾，其电导率就越高，输出的电阻就越低，并且模拟信号输出也越高。使用MQ-2 烟雾传感器检测火灾烟雾的最佳方法是将其输出电压与阈值电压进行比较（阈值电压需要进行烟雾测试）。MQ-2 的计算公式：阻值R 与空气中被测气体的浓度C 的计算关系式如公式1：

常数n：与气体检测灵敏度有关，除了随传感器材料和气体种类不同而变化外，还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。

常数m：表示随气体浓度而变数的传感器的灵敏度（也称作为气体分离率）。对于可燃性气体来说，m 的值多数介于1/2 至1/3 之间。

■2.2 温湿度检测电路

DHT11 通过测量两个电极之间的电阻来检测水蒸气，湿度感测部件具有在其表面上施加电极的水分保持基板。当水蒸气被衬底吸收时[3]，离子被衬底释放，这增加了电极之间的导电性。两个电极之间的电阻变化与相对湿度成正比，较高的相对湿度会降低电极之间的电阻，而较低的相对湿度会增加电极之间的电阻。DHT11 模块在系统中的电路图如图2 所示。

图2 温湿度检测电路

DHT11 通过内置在单元中的表面安装NTC 温度传感器（热敏电阻）来测量温度。DHT11 温湿度传感器的一些工作参数如下。湿度范围：20-90%RH；湿度精度：±5%RH；温度范围：0-50°C；温度精度：±2%°C；工作电压：3V 至5.5V。DHT11 测量相对湿度。相对湿度是空气中水蒸气的量相对于空气中水蒸气的饱和点。在饱和点，水蒸气开始凝结并积聚在形成露水的表面上。饱和点随气温变化。冷空气在饱和之前可以容纳较少的水蒸气，而热空气在饱和之前可以容纳较多的水蒸气。

■2.3 心率监测电路

脉率心率传感器是用于测试心率的传感器，本质上是具有集成放大器和噪声消除电路的光学心率传感器。该传感器可用于开发与心率有关的交互式任务，传感器可以戴在手指或耳垂上，光电传感器将脉冲信号转换为电信号，此设备要求将手指放在传感器拨盘上。光电传感器是光学心率传感器，集成了放大电路和噪声消除电路。光电传感器上的发光二极管发光通过脉冲，检测指尖和耳垂处定期更改的动脉血量[4]，同时穿过指尖的光强度也会更改。心率检测模块整体电路如图3 所示。脉搏心率传感器模块接口原理图如图4所示。

图3 心率监测电路设计

图4 脉搏心率传感器模块接口

■2.4 WiFi 传输模块

MOD-WiFi-ESP8266 是UEXT 扩展模块，带有著名的ESP8266 UART 转WIFI IC。通过此模块，可以为具有UEXT 连接器的其他Olimex 开发板添加WIFI 功能。带有已安装的2MB SPI 闪存。MOD-WiFi-ESP8266 是将其用作现有Olimex 板的简单硬件扩展。这就是为什么它具有UEXT连接器。将其插入具有UEXT 连接器的另一块板上，并且硬件连接已完成即可实现功能。WiFi模块的电路图如图5所示。

图5 WiFi 传输模块电路

3 系统软件设计

本设计主要是通过WiFi 连接主从机，从机进行对环境温湿度、PM2.5 浓度、烟雾浓度和心率的检测，通过WiFi发送到主机系统上，并通过LCD12864 液晶显示器显示相应数据。并且从机本身可以实现对环境PM2.5 的调节和环境湿度的调节。如果上述所有数据中的一个发生异常，从机系统将通过WiFi 传输到主机系统并通过蜂鸣器发出警报，从机设有四个按键分别代表四个床位的设计，有寻呼的功能，主机的两个按键分别控制从机两个继电器的开关以用来控制空气净化设备和加湿器的开启与关闭。系统整体软件设计流程如图6 所示。

图6 程序流程图

4 实物测试

■4.1 心率检测功能测试

由于心率检测电路采用的是光学检测，所以当指尖放在心率检测模块顶端时，我们可以看到LM393 比较器上面的绿色指示灯在闪烁，这就是比较器比较之后的结果，说明正在进行对心率的采集工作。从机的STM32 主控将会对这一数据进行采集，并显示在主机设备上，如果主机液晶显示器显示数据准确，说明测试成功。此时我们将指尖不断地轻轻且快速拍击传感器，用来模拟心率过快的现象，如果主机上的蜂鸣器发出声响，说明阈值设置成功，主机平台可以自行判断心率是否正常并向医护人员发出报警信息。经测试，功能正常运行，测试结果如图7 所示。

图7 心率检测功能测试

■4.2 烟雾浓度检测功能测试

MQ-2 烟雾浓度检测模块检测的是空气中可燃气体的浓度，不同于PM2.5 模块检测的是空气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物[5]。对于MQ-2 的测试，可以用打火机进行简单的测试，首先将打火机靠近传感器，然后轻微的放出气体，观察主机中的烟雾浓度变化，以判断功能是否正常，如果烟雾浓度过高，主机是否会发出警报。经判断，功能运行正常，测试结果如图8 所示。

图8 烟雾检测功能测试

■4.3 病床呼叫和继电器控制功能测试

在从机采集板中，有四个按键用来模拟病房中的四个床位，每当一个按键按下之后，在主机的液晶显示屏中将会准确的显示相应的床位号，以便于医护人员更好的判断是哪个床位在呼叫，当呼叫发生时，主机的蜂鸣器会发出声响以便于更好的提醒医护人员。当主机观察到空气中PM2.5 的含量过高或环境温度过高时，医护人员可以通过主机中的两个按键分别控制两个继电器，两个继电器分别接入空气净化器和加湿器，用来调整病房的环境。经过测试，两项功能正常，测试结果如图9 所示。

图9 病床呼叫和继电器控制功能测试