基于WiFi的血氧和心率云监控系统

2020-11-06吴英迪郭延东张亚宁

物联网技术 2020年10期

吴英迪郭延东张亚宁

摘要：传统的无线可穿戴血氧测量设备的数据通常使用蓝牙传输，需要配合手机APP使用，且数据量小，难以依托其数据进行复杂分析。为了解决这一问题，文中设计了一种使用WiFi将监测模块数据直接传到云上的系统，可以实现血氧饱和度及心率的采集、传输和分析。实验证明，该系统能够及时准确地将大量原始采样数据直接上传至云端，并在云端服务器的算法和程序配合下实现血氧饱和度和心率的计算，以及数据的存储、查询、监控、告警等功能。

关键词：物联网;WiFi;血氧和心率云监控系统;MAX30102;ESP8266;STM32L476RG

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-04

0 引言

随着社会经济的高速发展，人们的工作与生活压力不断增加，心血管疾病的发病率在我国居高不下。同时，由于气候变化、季节交替、城市人口密集等因素，肺炎等呼吸系统传染病已成为我国人群的常见疾病和多发疾病。很多人因为发现晚、就诊不及时导致病情恶化并危及生命，因此对于人体的血氧饱和度和心率信息的监控至关重要。传统心率血氧仪和可穿戴式脉搏血氧仪通常使用有线方式采集数据，并在本地保存。有部分研究者通过蓝牙+APP[1]或LoRa基站[2]等方式将数据传到云端。但这些方式均存在缺点：有线传输方式可移动性差，无法随人体实时移动;蓝牙传输需要配合开发手机APP，而目前主流的手机操作系统存在丢数据等问题;LoRa传输需要部署专门的基站，投入和运营成本高。

本文提出了一种基于WiFi技术的血氧和心率云监控系统，其结构如图1所示。使用WiFi模块进行数据传输，可以很好地解决上述传输方式存在的问题。该系统通过WiFi高速数传模块不仅能够将血氧、心率生物传感器的输出数据直接传送至云端，由云端服务器完成血氧饱和度和心率计算，还为实现复杂分析算法提供了原始数据和算力保障，并降低了数据采集端的功耗。此外，系统部署在阿里云服务器的服务端，实现了与微信公众号的对接，可将监控数据发送到用户手机端，无需额外开发APP。

1 系统设计方案

1.1 系统总体设计

血氧和心率云监控系统的总体设计方案框图如图2所示。

传感器模块MAX30102在指尖部采集原始脉搏波信号，由单片机处理打包成原始数据包，并通过接入WLAN AP（无线接入点）的WiFi串口模块ESP8266连接到公网，将原始数据包经互联网发送到云端服务器进行计算、存储。在云端服务器上部署相应的服务，对数据进行查询和监控等操作。用户可以通过微信公众号查询，如果出现异常数据，相应告警也可通过微信公众号推送到用户手机端。

1.2 系统硬件设计

系统硬件主要包括血氧心率传感器模块、微控制器模块、WiFi通信模块和电源模块。系统硬件设计模块如图3所示。

血氧心率传感器模块使用美信半导体出品的MAX30102模块，它是一个集成高灵敏度脉搏血氧仪和心率生物传感器的模块，含有多个LED、光电检测器、光学器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路[3-4]。MAX30102模块采用1.8 V和3.3 V电源供电，使用标准I2C兼容的通信接口与控制器通信。模块可通过软件设置为功耗几乎为0的待机状态，从而大幅降低平均使用功耗，延长使用时间。

微控制器模块使用意法半导体生产的STM32L476RG微控制器[5-6]，它基于高性能ARM Cortex-M4 32位RISC内核的超低功耗微控制器，工作频率高达80 MHz，具有单精度浮点单元（FPU），支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型，并且实现了全套DSP指令和存储器保护单元（MPU），加强了应用安全，还嵌入了高速存储器（闪存高达1 MB，SRAM高达128 KB）、用于静态存储器的外接存储控制器（FSMC）、Quad SPI闪存接口、I2C接口等增强型I/O接口和外设。

WiFi通信模块使用乐鑫科技生产的ESP8266EX WiFi通信模块，它内置低功耗32位CPU，并且集成了天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和电源管理模块[7-8]，支持IEEE 802.11b/g/n协议和STA/AP/STA+AP三种工作模式[9]，深度睡眠保持电流为10 μA，关断电流小于5 μA，是专为移动设备、可穿戴电子产品、工业无线控制、智能家居和物联网应用而设计的低功耗WiFi通信模块[10]。

1.3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括两部分，分别为STM32L476RG微控制器上运行的脉搏波信号原始数据采集、打包、上传程序和云端服务器上运行的血氧饱和度和心率计算、存储、监控、告警推送程序。系统软件流程如图4所示。

2 实验结果与分析

2.1 服务器与微信公众号的对接

用戶可通过微信公众号查询血氧、心率数据，同时也可以打印MAX30102的原始数据信息，如图5所示。由于ESP8266传输速率较高，可以将MAX30102血氧、心率生物传感器的采样率设置为100次/s，采样精度设置为18 bit原始数据，并全部送至云端服务器，为进一步诊断与分析提供有力的数据支撑。

2.2 采集端与服务端数据比较

实验使用STM32L476RG串口打印采集端的原始数据包与部署于阿里云的服务端收集到的原始数据包，并进行内容比较。采集端和服务端原始数据包的比较结果见表1所列。

ESP8266 WiFi传输模块能够可靠、连续的向服务器端发送数据。在测试中，丢包率为0，采集端与服务器端数据匹配率为100%。

2.3 传输时延

ESP8266 WiFi传输模块与阿里云服务器[11-12]之间的数据时延测试结果见表2所列。实验中使用的是部署在香港的阿里云共享基本型xn4，处理器为2.5 GHz主频的Intel Xeon E5-2682 v4（Broadwell），搭配1 GB容量的DDR4内存，而ESP8266EX WiFi传输模块部署在北京。根据连续30次测试结果可知，计算传输时延的平均值为49.495 4 ms。

2.4 采集端算法与功率

实验使用德科技（KEYSIGHT） N6705C直流电源分析仪[13]进行检测，测得单个采集端使用不同算法的功率分布情况如图6所示，功率平均值见表3所列。

S1采用的算法：将MAX30102血氧、心率生物传感器输出的原始数据直接发送到云端服务器，由云端服务器计算血氧、心率结果;

S2采用的算法：由采集端根据MAX30102血氧、心率生物传感器输出的原始体征数据计算得到血氧、心率结果，将计算结果发送到云端服务器;

S3采用的算法：由采集端根据MAX30102血氧、心率生物传感器输出的原始数据计算得到血氧、心率结果，将计算结果和原始数据发送到云端服务器。

当采集端数量较多时，将原始数据直接发送到云端进行计算，可以降低采集端的功耗与系统成本。

3 应用场景讨论

本文提出的基于WiFi技术的血氧和心率云监控系统，其发射模块与一般蓝牙模块相比拥有更高的传输速率，并且采用TCP/IP协议进行传输，具备重传机制[14]，数据包稳定性和可靠性高，但同时功耗也比较高。本系统更适合在医院、隔离点等被采集人员人数较多，且需要连续实时监测、快速部署的场景下使用。

2019新型冠状病毒（COVID-19）爆发后，在湖北省内、中国甚至其他国家传播，造成了数以万计病例的出现，同时也引起了民众一定程度的恐慌[15]。其中，由于武汉市患者人数众多，政府将体育场馆、会议中心等公共场所改建为方舱医院[16]，短时间内收治了大量病患。这些场所在设计之初已经配备了无线接入环境，可以使本系统快速部署。在该场景下，本系统与使用蓝牙模块进行传输的系统相比，在监测人数、传输时延、传输可靠性、传输数据量和部署成本等方面具有明显优势。

4 结语

本文提出的基于WiFi技术的血氧和心率云监控系统具有可靠性强、数据传输速率高、部署成本低等优点。在设计过程中，成功对接了微信公众号，使信息推送与查询更加人性化，并且无需开发额外的APP。在进行大批量部署时，将血氧饱和度和心率计算转移到云端，可降低采集端功耗与成本。

参考文献

[1]王亚文，庞宇，李国权，等.一种可穿戴多体征参数采集装置的设计[J].电子技术与软件工程，2019（5）：82-85.

[2]吴磊，胡维平.基于LoRa的心率血氧实时监测系统的研究[J].电子设计工程，2019，27（14）：97-101.

[3]刘乔寿，王森.基于开放式BLE心率计的研究与设计[J].电子世界，2018，40（3）：100-104.

[4]朱乐，徐学军.一种老年心电突变系统的研究[J].智能计算机与应用，2018，8（3）：84-86.

[5]刘磊，王民慧.基于云平台的互联鸽笼控制系统[J].智能计算机与应用，2019，9（3）：74-78.

[6]陈北辰，刘志鑫，崔华.智能传感器实验平台设计[J].电脑与电信，2019，25（11）：61-63.

[7]姚星宇，王春梅，郭宗昊，等.基于GPRS与ESP8266的物联网远程烟雾报警器[J].电子世界，2019，41（23）：189-190.

[8]黄嘉林，陈英杰.基于STM32的联网噪声监测仪[J].物联网技术，2020，10（2）：33-34.

[9]陈凯旋，周世恒，陈涛，等.基于Arduino与OneNET云平台的简易智能家居系统设计[J].物联网技术，2019，9（12）：88-90.