多参数家庭监护终端的设计与实现

刘晓樑 董月广 林志义 刘恬 韦小霞

【摘 要】对传统的多参数监护仪功能进行改进和创新，设计了多参数家庭监护终端系统，系统包含有三个模块：生理信号测量单元，数据传输单元，终端操控与交互单元。其中传感单元又分为心电、血氧饱和度、脉搏波、呼吸速率、体温和血压数据采集;数据传输模块实现采集到生理信号无线传输;终端操控与交互单元存储采集到的数据和网络上的服务器，用户可以通过触摸屏查看患者的各种生理参数，管理用户信息。本设计能真实有效的监护到人体各种参数，非常适合在家庭环境中使用。

【关键词】 多参数监护;ZigBee;嵌入式;QT

1 引言

在经济发展迅速、人口基数持续增大和人类老龄化程度渐渐变重的今天，人们对身体健康的意识也在不断的增强，人们试图寻找更好的、更智能化的医疗设备，来保障生理和心理的健康，甚至越来越多的人希望拥有家庭自助医疗设备，来监护健康[1]。多参数监护仪是对患者体征监护有及其重要意义的、普遍被使用的医疗智能设备。它可以监护的体征参数有：呼吸频率、血氧饱和度、心率值、血压值、脉搏，并且还能从这些参数中做相应的数据处理和数据分析。多参数监护仪大大的提高了医对人体生命体征监护的质量，被广泛地使用在医院的重症增强治疗病房（ICU）里。目前，多参数监护仪慢慢向着智能化、便携化、精简化的方向发展，逐步适应家用、低功耗、低成本的商业需求，使得它更加适用于普通医疗机构和普通的家庭用户。设计出一台能有效监护生理信息的适用于普通家庭的多参数监护仪有很大的市场市场需求。

2 系统总体设计

2.1 系统结构图

系统架构如图1所示，利用各种可穿戴式传感器采集用户的实时生理参数，使用ZigBee无线传感网络进行数据的实时传输，所有数据统一聚合到监护控制终端上做解析、处理、存储，数据再经过网络转发至云端服务器上，再由云端的数据库来存储。使用web后台管理系统，实现远程监护功能。

2.2 各模块功能

2.2.1采集模块

心电、血氧二合一模块的功能用于采集心电信号，放大、滤波之后，解析出心电图和心率值，并且还能够采集脉搏信号，提供血氧参数。另外从呼吸速率也是从本模块中提取。

2.2.2数据传输模块

使用ZigBee模块是来完成患者体征参数采集，通过无线传输到有协调器的监护终端上，监护终端通过WIFI无线模块用户的数据转发到云服务器中，并且把数据存储至云数据库中。

2.2.3终端控制显示模块

终端控制显示模块对各种生理信号进行数据分析处理，通过图形界面，显示实时波形、各项身体指标，存储相关数和管理病例资料等。

2.2.4服务器

服务器为移动监护端（手机APP、公众号）提供远程监护查询、用户信息文件的创建和管理和预警的功能。

2.3 数据库设计

用户登录信息和用户监护数据统一由监护终端发送至服务器上，然后经过服务器的管理，存储到数据库中。其中用户登录信息表由5个字段组成。分别是usr_id（登录名）、usr_pwd（用户密码）、usr_addr（用户地址）、usr_tel（用户联系方式）、usr_mail（邮箱）。

用户监护数据表设计，每个用户对应一张用户数据表，表名根据用户名usr_id决定。每个用户有六个字段的数据，分别是time（时间）、xinlv（心率）、xueyang（血氧）、tiwen（体温）、huxi（呼吸）和xueya（血压）。

3 系统软件设计与实现

3.1 硬件部分

3.1.1无线采集模块

采用CC2530微处理器实现无线采集模块和协调器模块。

3.1.2监护终端

采用ARM Cortex-A8作为无线多参数监护仪的主控芯片，与CC2530协调器模块采用串口通信协议进行数据传输。

3.1.3传感器模块

体温测量使用的是DS18B20温度传感器;HKB-08B测量血压，心电血氧二合一模块测量心电和血氧。

3.2 软件部分

3.2.1登录与注册模块设计

用户登录的目的是让多参数监护仪能够远程监护用户身体状况，并且简化终端的数据存储，将数据发送到云端对应的用户数据表中，节省本地存储空间和成本。用户可以在一台终端注册多个用户，当登录不同用户时，监护不同用户的生理状况。实现一机多用。

3.2.2主界面设计

用户在主界面可以看到各种参数的值，及其动态波形，不同的波形图，由不同颜色的线条构成，方便用户观察，由于血压不需要24小时监护，设计了血压采集控制的控件（Qpushbutton），用户可按需使用，还能通过菜单栏做其他简单的操作。

3.2.3歷史数据存储设计

历史数据是医生诊断的重要依据，所以，本设计对其设计如下，用户点击打开历史数据，便可以找到相应的历史数据，再选择相应时间段的数据。

3.3 核心算法

3.3.1心率检测算法

（1）从心电数据中提取心率数据，心率提取的算法如下：

（2）设置电压阈值;

（3）设置定时器（1ms），和计数变量count;

（4）时间到了，触发信号，计数变量加1;

（5）判断心电数据是否超过阈值，若超过了，保存count到temp变量中，count清零;否则count直到触发信号重复本步骤。

（6）最后，计算心率值。

3.3.2呼吸频率算法

健康的人，呼吸（X）与脉搏（Y）之间存在一定的比例关系，满足函数Y=4X，基本满足也就是说呼吸频率与心跳频率之间存在线性关系，根据这个线性关系即可推算出呼吸频率。

4 系统测试

4.1 硬件测试

采集的参数正常，心电图正常，脉搏波显示正常，系统符合预期设想。

4.2 软件测试

通过测试，如图2所示，可以通过他查看患者信息、登录、注册、查看历史数据显示参数和波形图表等，得知显示结果正确，数据传输正确，登录注册正常。

5 结论

设计出的多参数家庭监护终端具有智能化、便携化、精简化的特点，满足低功耗、低成本的商业需求，使得它特别适用于普通医疗机构和普通的家庭用户，具有广阔的市场前景。

基金项目：

本项目得到2020省级年大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：S202010576022）

（作者单位：韶关学院（信息工程学院））