一种基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备

一种基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备

技术领域

本发明专利涉及电子设计技术领域，尤其涉及一种基于Android手机的可穿戴式 医疗监测设备。

背景技术

可穿戴设备的发展已进入高速发展期，各种产品层出不穷，而可穿戴医疗设备以 其便携性和智能性成为监测人体体征的首选。目前可穿戴医疗设备在医院的应用主要是针 对医院护理的应用，在医院病房，通过可穿戴医疗设备对病人血压、心率、血氧饱和度、体温 和呼吸频率等人体生命体征进行监测。

附图说明

图1：人体健康监测系统总框图。

图2：总体结构图。

图3：电源电路图。

图4：W25Q64芯片电路图。

图5：模拟前端电路图。

图6：心电心率数据采集电路图。

图7：DS18B20内部结构图。

图8：DS18B20测温原理示意图。

图9：DS18B20测温电路原理图。

图10：生理参数功能展现图。

图11：主控中心程序流程图。

图12：蓝牙模块外围电路图。

图13：系统数据传输流程图。

发明专利内容

本发明专利涉及一种基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备，本发明使用 STM32F103ZET6芯片作为硬件平台处理核心；心电采集模块使用BMD101芯片；温度数据采集 使用的是DS18B20传感器；无线通信采用蓝牙技术。

本发明可以实时地监测人体生理参数，并传输到监控中心，监控中心可以将数据 保存在本地数据库中。

本发明的模块设计都遵循着体积小、成本低、抗干扰能力强的原则，符合设计中便 携式的特点，方便使用者在日常生活中的佩戴。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备，本发明使用 STM32F103ZET6芯片作为硬件平台处理核心；心电采集模块使用BMD101芯片；温度数据采集 使用的是DS18B20传感器；无线通信采用蓝牙技术。

进一步的，本发明要实现的是心电、体温的数据采集，主控单元对数据量进行处理 分析，并通过无线方式传输到监护系统。实现无线可穿戴式人体健康监护系统的研究与设 计。系统的总体框如图1所示。主控中心选择的是STM32F103ZET6处理器，该处理器由意法半 导体公司出品，在系统中其作用是对模块采集到的人体参数的数据量进行接收、解析、处 理，以串口方式传输给无线模块，再以无线方式传输到Android手机上。无线模块部分采用 蓝牙无线通信技术，蓝牙无线网运行在全球通用的2.4Hz内2400~2483.5波段的ISM（工业、 科学和医学）频段上，蓝牙技术带宽合适且低功耗、稳定性高、穿透性强。

进一步的，本发明的硬件平台总体的模块结构包括心电信号采集模块、温度检测 模块、无线模块、电源模块以及主控中心。软件平台就是单片机程序的设计和Android手机 软件的开发。系统的总体结构如图2所示。

进一步的，本发明采用ARM V7架构的STM32F103ZET6芯片作为中央处理器。

进一步的，本发明的供电部分使用锂电池供电，5V锂电池具有能量比较高、使用寿 命长、自放电率很低、重量轻、高低温适应性强、绿环保等特点，同时符合便携式的特点。 控制芯片STM32的供电使用AMS1117-3.3稳压器，可将5V电源稳定在3.3V，且保证了电流输 出。系统中心电信号采集模块、脉搏血氧饱和度采集模块、温度数据采集模块都是3.3V电 压，中央处理单元电压为3.3V，蓝牙模块电源为3.3V。电源电路如图3所示。

进一步的，本发明选择使用FLASH储存器保存采集的生理参数信息。选用的FLASH 芯片是华邦公司的SPI FLASH产品W25Q64，它有着8M字节的存储空间，足够保存长时间的生 理信息。W25Q64还有超过10万次的擦写周期，每个设备都有唯一的64位ID，工作电压为2.7V 到3.6V。而且这款存储器支持标准SPI接口，SPI是一种高速的全双工通信总线，只需连接4 个引脚，大大节约了处理器资源，支持的最大SPI时钟可80MHz，可以和STM32的SPI接口配 合，使用DMA方法快速读写数据。W25Q64芯片电路如图4所示。其中，CS引脚是片选输入，CLK 引脚是串行时钟输入，DO引脚是数据输出，DI引脚是数据输入，只需要将这4个引脚与STM32 连接，通过程序配置SPI的工作模式后，就可以读写FLASH存储器中的数据。

进一步的，本发明的心电、心率数据采集模块选用了BMD101芯片，首先BMD101的体 积非常小，规格仅为3mm*3mm*0.6mm，功耗低，使用3.3V供电，其次作为一款数字芯片，它内 置了模拟前端。针对采集到的生物信号，BMD101有一套专用的算法，因为拥有数字信号处理 单元，可以精准的完成数据的计算。BMD101的功能非常强大，它有内置的专有的算法，同时 固化了DSP来对采集的数字滤波进行计算，内部的系统管理单元是BMD101的核心，系统配置 和通讯，运行和电源的管理都由此核心来完成。其目标应用就是临床心电监测和分析，心率 的变异和监控，BMD101是单一芯片解决方案，体积小，功耗低，适用于便携式设备，可以很容 易的整合到目标设备上。对于模拟前端的分析，主要是包括低噪音放大器和ADC。模拟前端 的框图及其接口传感器和集成电路数字部分如图5所示。模拟前端接收不同低振幅的模拟 输入信号，信号通过高通滤波器去除信号中包含的大其缓慢的直流成分，然后信号通过可 编程增益低噪音放大器，LNA输出被ADC转换为16位的数字量。BMD101内置了传感器关闭检 测能力，在两个传感器输入引脚之间，通常超过19-25兆欧会触发传感器状态。一种数字控 制振荡器也被包含在BMD101中，它提供了一个完全集成的22.1MHz时钟参考信号。

进一步的，BMD101有一个独立的电源输入端VDD和用来限制心电信号中的噪音接 地隔离电路，电路如图6所示。电路中的C1器件为滤波器组件。D1、D2为静电放电二极管，它 们起到的作用是静电保护。SEP/SEN最好连接模拟地，隔离潜在的供应功率和噪声敏感的传 感器线路。

进一步的，本发明使用DS18B20传感器，这款温度传感器体积小、抗干扰能力强、精 度高，读取温度时使用单总线接口与单片机通信。使用DS18B20传感器，在可穿戴式设计中 可以直接接触人体皮肤测量体温。DS18B20的测温范围为-55~+125℃，温度传感器的分辨率 是可编程的，分别为9到12位，最高的精度可达0.0625℃，在使用9位精度测温时，温度转换 数字的速度仅为93.75ms。DS18B20的内部主要由64位的ROM、温度传感器、温度报警触发器 和配置寄存器组成。64位ROM主要是记录了温度传感器自身的地址序列号，保证了每个传感 器具有特定的序列码，实现多个传感器的单总线测量。配置寄存器可以设置温度传感器的 精度。DS18B20还具有报警功能，设置报警预设值TH和TL后，当传感器进行了温度转换后，会 将温度值与报警预设置进行比较，若温度超出范围，就会将报警标识位置1。DS18B20的内部 结构如图7所示。DS18B20的测温原理如图8所示，高温度系数振荡器受到温度变化影响导致 的振荡频率变化明显，产生的信号作为计数器2的脉冲输入，低温度系数振荡器受到温度变 化的影响小，产生的信号作为计数器1的脉冲输入。首先预置-55℃对应的数值给减法计数 器和温度寄存器中，当开始计数时，低温度系数振荡器产生脉冲信号，计数器1进行减法运 算，当计数值为0时，温度寄存器的值加1，计数器1重新装载预置值，如此循环，当计数器2为 0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的值即为所测温度。斜率累加器的作用为 补偿和修正温度测量过程中的非线性误差，可以修正计数器1的预设值。读取DS18B20测量 的温度时，只需写入0xBE指令，即可读出传感器内部RAM中的9位温度值。设计中设置 DS18B20的分辨率为12位，则实际温度为得到的数值乘以0.0625，即可得到实际温度，如果 测量的温度小于0℃时，需要将测得的二进制数取反后加1，再乘以0.0625才是实际温度值。

进一步的，DS18B20温度传感器的工作电压为3.0~5.5V直流电源，本设计只需使用 一个温度传感器，外部供电使用3.3V的电压供电，电路如图9所示。

进一步的，本监护系统中智能手机应用程序功能框如图10所示，其中数据显示一 共分为三个功能模块，心电模块，体温模块，血氧模块。系统构建于应用层之上，旨在为各个 子模块提供统一的主程序界面及相应功能。在整个系统中，传感器数据采集成功，传输到主 控中心，主控中心根据特定数据的传输格式对数据进行处理，网络连接成功，数据通过无线 传输到手机界面上，根据网络传输协议进行Android编程，Socket实现通信接口，TCP并发服 务器，多线程技术完成手机的UI界面，实现对人体健康参数的接收与显示。主控中心程序流 程如图11所示。生理参数监测设备与智能手机使用蓝牙通信，使用的蓝牙模块采用广州汇 承信息科技有限公司生产的HC-05芯片。HC-05是民用级，支持当前绝大多数手机蓝牙设备， 并可向上兼容其他更高协议。该模块具有集成度高、稳定性好、功耗低、外围电路少等优点， 完全满足本系统的需求，图12是蓝牙模块的外围电路。其中STATUS_OUT是输出状态指示灯 引脚，未连接蓝牙时D1会闪烁，MOD引脚是蓝牙AT模式选择引脚；RXD和TXD是串口通信接口， 实现串口通信功能。

进一步的，单片机与蓝牙模块直接的数据传输使用DMA方法，使用DMA方法不需要 CPU参与传输过程，只需CPU响应DMA的请求后，DMA控制器会直接执行数据传送过程。在DMA 的控制下，整个数据传输过程不需要CPU的干预，不会影响生理参数的采集，并且会大大提 高CPU的使用效率和数据传送的速度。系统数据传输流程如图13所示。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。