基于云平臺的便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報警系統(tǒng)的研究

摘要：本項目是在計算機技術和現(xiàn)代測試技術深層次結(jié)合的基礎上設計的一種新儀器，對人們睡眠時的呼吸進行實時監(jiān)測和報警，可通過智能手機和先進的電子技術，充分運用軟件能力來實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)實時顯示和輸出等功能。采用單片機(MCU)為主控制器，可通過無線藍牙模塊和無線局域網(wǎng)(WiFi)模塊與智能手機通信，使之對接收的數(shù)據(jù)進行處理并連接云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和共享。

引言

　　隨著科技的發(fā)展，人們對睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠醫(yī)學作為現(xiàn)代醫(yī)學的一個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，而且還會導致一系列周身性病變^[2]。國外廠家所生產(chǎn)較先進的病人檢測儀，均能在檢測病人心臟功能的同時，檢測病人的呼吸情況，但目前這類儀器價格昂貴且基本為進口，不易在國內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用^[3] 。本項目是在計算機技術和現(xiàn)代測試技術深層次結(jié)合的基礎上設計的一種新型儀器，通過智能手機和先進的電子技術，充分運用軟件能力來實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)實時顯示和輸出等功能^[4]。

1 系統(tǒng)功能分析

　　整個系統(tǒng)功能設計框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對人的呼吸情況進行檢測，主控單元負責讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機，同時主控單元還對危險的呼吸狀態(tài)進行聲光報警提示，智能手機可以將一段時間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進行顯示，也可導出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用。智能手機端能對下位機工作模式進行控制，對工作狀態(tài)進行顯示。

2 系統(tǒng)硬件的設計

　　硬件電路設計如圖2所示。在硬件控制系統(tǒng)中，主要由ST公司型號為STM32的MCU提供系統(tǒng)的指示，配合手機端的指令，共同對呼吸狀況進行監(jiān)測和報警。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^[6]，但收集到人的呼吸信號比較微弱，需要經(jīng)過一定的放大后再經(jīng)信號調(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)可由軟件編程進行控制和處理(如對數(shù)據(jù)進行存儲，監(jiān)測到呼吸狀況異常，啟動報警機制等)，亦可由串口連接無線藍牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機端，讓手機端進行處理。聲光報警由單片機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)程序設計

3.1 MCU程序設計

　　便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報警系統(tǒng)主程序會直接影響到系統(tǒng)的性能，而監(jiān)測的精確度和有效性對系統(tǒng)的功效起決定性作用^[7]。單片機程序設計流程圖如圖3所示。MCU初始化設置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎。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，不能及時報警和準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)的存儲和處理帶來困難，也不利于系統(tǒng)高效低耗的運行。串口連接著無線藍牙和WiFi模塊，是MCU與手機端進行交互的跳板，MCU可以單獨完成數(shù)據(jù)的存儲和處理，并及時報警，也可通過與手機端建立聯(lián)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機端進行處理，再向單片機發(fā)送各種請求。

3.2 手機端程序設計

　　手機端主要對MCU起輔助作用，但也能自成一體。與MCU結(jié)合時作為實時報警和監(jiān)測顯示裝置，單獨工作時便對以往呼吸狀況重新顯示，有助于醫(yī)生分析掌握病情。手機端程序設計如圖4所示。首先，采用人性化界面的設計，給用戶一個良好的視覺感受，且操作簡單。其次，與無線藍牙和WiFi連接配對，確保數(shù)據(jù)能正常發(fā)送接收。另外，是對將數(shù)據(jù)保存至本地或云平臺，以便能節(jié)省手機儲存空間，隨時隨地調(diào)出歷史數(shù)據(jù)以供醫(yī)生診治。最后，是對數(shù)據(jù)進行處理，通過友好的圖形界面，實時顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時當監(jiān)測到不正常呼吸狀況時啟動報警，如手機震動或發(fā)出報警鈴聲等。

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。