基于单片机的智能医疗监护系统设计

1.简介

  随着社会的发展，智能化电子设备成为了人们生活中不可或缺的一部分，尤其是在人们对于身心健康更加注重的今天，智能医疗监护系统应运而生。本套电子监护设备集体温测量、心电采集、心率监测、血氧监测于一体，带有语音播报模块，适用于不同年龄段人群。智能化电子监护设备的产品，可以让人们实时查询身体健康信息，缩短了人们与医院之间的距离,对于身体健康的把控走出了新的途径。
  本次智能医疗监护系统选择意法半导体公司的STM32F103C8T6作为核心控制器MCU,配备有1.3英寸TFTLCD彩屏，红外测温模块MXL90614用于测量人体体温，心率血氧模块MAX30102用于采集血氧饱和度和心率值，心电采集模块AD8232完成人体心电采集，语音播报模块SYN6288播报采集的各项数据信息。

2.研究背景与意义

  随着人口老龄化的加剧和慢性疾病的不断增多，医疗护理需也是逐年上涨。然而，传统医疗监护模式往往需要受限于时间和空间，医护人员无法时刻监护患者的病情变化，因此，开发一种能够实时监测患者生理参数、提供预警和干预的智能医疗监护系统显得尤为迫切。
目前，国内外已经开展了大量的智能医疗监护系统研究。这些系统通常包括生理参数监测、数据分析与处理、预警与干预等功能。通过实时监测患者的生命体征数据，如心率、血压、血糖、血氧等，系统能够及时发现异常情况并发出预警，为医护人员提供决策支持。
  在国内，医用监护系统的研究已经取得了长足的进展。从最初的心血管疾病监护，到现在的心脑血管、呼吸道、新生儿、妇产科、麻醉、睡眠状况等多方面的监护，监护系统的功能和适用范围不断扩大。同时，随着物联网和移动互联网技术的发展，监护系统的连接形式也由单一的有线系统发展为无线可移动系统、网络系统，可用于床旁、中心监护系统及中心工作站等。
  在国外，智能健康监护系统的研究也较早，并取得了许多优秀成果。例如，美国早在1993年就开始在士兵身上佩戴手腕生理监控设备，用于监测士兵的生理参数。此外，智能医疗监护系统还在糖尿病、高血压等慢性疾病的管理中发挥了重要作用。
  然而，目前智能医疗监护系统仍存在一些问题。例如，系统的准确性和稳定性仍需进一步提高，以减少误报和漏报的情况。同时，如何保护患者隐私和数据安全也是一个亟待解决的问题。此外，智能医疗监护系统的应用还需要与现有的医疗体系相结合，以更好地满足患者的需求。总之，智能医疗监护系统的研究与发展对于提高医疗护理水平和改善患者生活质量具有重要意义。未来，随着技术的不断进步和应用场景的拓展，智能医疗监护系统将在医疗领域发挥更加重要的作用。
  本次基于单片机的智能医疗监护系统设计目的是为了便于人们日常中对自身生理参数的实时监测、数据采集，可以随时随地查看自身各项身体指标。通过过连接多种传感器，实现对患者的心率、血压、血氧饱和度等生命体征和各项医疗参数的实时监测。当监测的参数出现异常时，可以发出报警提示，便于及时就医咨询与诊断。
  此外，基于单片机的智能医疗监护系统还具有体积小、功耗低、成本低、性能稳定等优点，可以广泛应用于家庭、医院、养老院等场所，为患者提供更加安全、便捷、高效的医疗服务。同时，该系统还可以与其他医疗设备或系统进行集成，实现更加全面、智能的医疗监护和管理。

3.系统整体设计

  本次智能医疗监护系统设计以Cortex-M3架构单片机，整个系统结构可分为主控制器、心率血氧采集模块、语音播报模块、心电采集模块、红外测温模块以及显示模块。整个系统包含以下功能：
   1. 生理参数数据：例如心率、血压、体温等生理参数的数据。
   2. 医疗设备数据：例如呼吸机、心电图仪等医疗设备的数据输出。
   3. 患者病历数据：例如患者的病历信息、诊断结果等数据。
  根据系统功能要求和结构组成，整体功能实现为主控单片机作为系统核心，实现各个子模块驱动与控制；心率血氧模块实时采集人体心率和血氧值；心电模块采集心电信息；红外测温模块测量人体体温；LCD显示模块实时显示人体各项信息；语音播报模块在各项信息超出预警值时发出警报提示。系统总体框图如图所示：

4.系统硬件设计

   根据方案选型，本次智能医疗监护系统以STM32103C8作为整个系统的核心控制器，以LCD屏幕完成人机交互界面设计，MAX30102模块采集心率血氧数据、MLX90614模块测量人体体温、AD8232模块监测心电信号、SYN6388语音播报模块进行预警通知以及3个控制按键和一个LED状态指示灯。整体硬件原理图设计如下：

5.系统软件设计

   本次智能医疗监护系统整体运行流程为：
   (1)初始化各个硬件设备,加载各个硬件设备驱动。如驱动I2C协议实现MAX30102模块心率血氧数据采集；驱动ADC外设实现AD8232模块采集心电数据；驱动SPI协议实现LCD屏幕显示；驱动串口协议实现SYN6288语音模块，实现语音信息提示等等。
   (2)采集人体各项数据，如心率血氧、体温、心电，将采集的数据在屏幕上实时显示。
   (3)设置各项数据的报警阈值，当采集的数据超出范围则通过SYN6288语音模块进行抱紧提示。
   系统运行流程如图所示：

6.整体调试与分析

   在整个系统设计过程中，为了编译程序调试和BUG解决，本次程序设计采用模块化编程。其中硬件配置代码采用HAL库进行配置生成，实现各个硬件功能初始化。接着再逐个完成各个子功能模块的开发与测试，带每个独立功能均可以稳定运行后，再进行工程整体调试，优化处理，UI界面设计。采用此方法可以提升效率并减小误差，达到一个最优的方案。在整个软件程序设计过程中，流程实现如下：
   (1)配置基本硬件，如LED状态指示灯、按键、串口等功能，确定基本硬件的正常性和稳定性。
   (2)驱动MAX30102模块和LCD屏幕屏幕。采集心率和血氧浓度，设计心率血氧界面。
   (3)配置串口2，设置波特率为9600,驱动语音播报模块SYN6288。播报当前系统运行的参数信息。
   (4)驱动ADC,配置通道1，通过ADC模式采集AD8283心电数据，采用多次测量求平均值方式进行数据过滤，将过滤后的数据在LCD屏幕进行心电波形绘制。
   (5)根据MLX90614红外测温模块通讯协议驱动该设备，进行温度采集。
   在此次测试过程中，使用KeilμVision5进行程序编译，ST_Llinx下载程序。KeilμVision5拥有能够生成流畅性强逻辑性通俗易懂的代码，其也展示出高级代码带来的效率及优势。

6.1 硬件调试

   本次智能医疗监护系统设计独立完成原理图设计和硬件PCB布线，功能子模块选型，电路调试与硬件元器件焊接，整体实物如图所示：

   整体功能包括有MAX30102传感器测量心率血氧值、AD8232传感器采集心电信号、SYN6288语音模块播报各项数据、MLX90614传感器实现非接触式温度测量。心率血氧采集如图所示：

  成年人正常心率范围在每分钟60~100次，理想心率为55 ~70次/分钟。一般情况下老年人心跳低于年轻人；女性的心率高于同龄男性。
  血氧饱和度（SaO2）是血液中被氧结合的氧合血红蛋白（HbO2）的容量占全部可结合的血红蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。动脉血氧饱和度的正常值范围是95%~ 98%，而静脉血氧饱和度的正常值范围是70%~75%。一般情况下测量血氧饱和度均测量动脉血氧饱和度。可以根据测量的血氧饱和度分辨是缺氧还是呼吸衰竭。
  心电监护可以用于全天候地监测和分析患者的心电信号等项目，从而准确地评估患者的生理状态，本次心电监测使用AD8232传感器，通过AD采集心电信号，实现波形绘制，如图所示：

  红外测温如图所示：

  人体体表温度的正常范围通常在36℃~37℃。体表温度受多种因素影响，包括环境温度、身体活动水平以及内部调节机制。如当环境温度升高时，会导致体表温度升高；而运动或其他身体活动会产生热能，导致体表温度上升。