独居老人生命体征远程监测系统的设计与实现

吕洋

（中南大学自动化学院，湖南长沙，410000）

0 引言

随着我国人口老龄化的快速发展，独守“空巢”的老人日益增多，他们的身体健康问题令人堪忧，能在远程及时了解他们的健康状况，发现问题及时就医成为家人的迫切愿望。该产品利用Arduino 知识、传感器技术、C 语言程序、物联网通讯技术、3D打印技术等知识，研制出一种价格低廉、便于携带、适用广泛的生命体征远程监测装置，可以随时随地监看到独居老人的生命体征数据，当有指标超标时，实现本地与远程报警。

1 系统总体设计方案

系统将采集到的脉搏等模拟数值通过模拟端口直接传输到中央处理器Arduino，这些模拟数据经过相应的算法计算出反映生命体征的各个数据，这些体征数据通过串口输出至上位机，通过processing 软件将参数曲线图显示出来，系统将各个体征数据与设定的正常值进行比较，当指标不在正常值范围时，该装置通过判断语句运行报警程序，蜂鸣器输出报警音频。系统同时将实时生命体征数据通过ESP8266 模块发送至远程物联网平台，物联网平台对收到的生命体征数据进行处理、储存、判断，当接收到的数值达到在物联平台设置的报警阈值时，物联网平台直接发送邮件或微博等信息到亲属的手机上，实现手机报警。通过互联网，用户随时随地可以使用手机、平板或PC 登录物联网平台或扫描分享的二维码快速方便的实时查看生命体征数据以及记录的历史数据，实现数据的多点实时共享。

图1 系统原理图

2 硬件系统设计

■2.1 硬件电路

脉搏信号的检测原理简单且具有代表性，对其做进一步的计算分析，还可以得到心率变异等其他生理参数。其他如体温、血氧等的传感器接入原理一致，因此硬件连接我们只接入脉搏传感器，以脉搏传感器的接入实现生命体征远程监测系统的研制。

将脉搏传感器的正极端接到Arduino 板的5V 接口，负极端接到GND，S 端连接到模拟口A0。

■2.2 脉搏传感器模块

这款心率传感器体积小巧，可以对身体的不同部位进行测试。本传感器采用光电容积法，测量准确。光电容积法是利用人体组织在每次心脏泵血时通过身体外周造成透光率不同来进行脉搏测量。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也是随着心脏的搏动发生周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏心率。

图2

3 软件系统设计

■3.1 使用Pulse sensor 进行心率采集算法

心率是一分钟内人体的心跳次数，如果能测量出相邻两次脉搏的时间间隔（ms），用一分钟除（60000ms)以这个间隔就能计算出心率。由此引出了IBI 和 BPM 两个值的概念,IBI 就是相邻两次脉搏的时间间隔（单位：ms），BPM就是心率，一分钟内的心跳次数。BPM=60000/ IBI。

只有能识别出一个脉搏，才能计算出两个相邻脉搏之间的时间间隔。在编写程序时可以通过检测脉搏波的波峰来识别脉搏，设定一个参考值，当读取到的信号值大于或等于这个参考值时便可以认为检测到一个脉搏。但是经过多次测试，每次波形的振幅大小不一，不同的测试部位，参考值也不同，所以不能用大于或等于一个固定的参考值来判断波峰的识别。

通过对多个周期信号输出的振幅值分析，可以采集到信号的振幅的最高值与最低值，取最高值与最低值的平均值作为参考值，再用这个参考值阈值对采集的电压值进行比较判定，大于或等于这个参考值，识别一次波峰。使用时间函数对一次脉冲的开始和结束分别计时，差值就是IBI 的值。利用数组记录10 组IBI 的值，再取这10 个IBI 的平均值，以获取更为精准的数据，最后用60000 除以IBI 的值便计算出心率BPM 的值。

主要代码如下：

■3.2 ESP8266 模块

物联网不但是新一代信息技术的重要组成，而且是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internet of things（IoT）”。物联网实际就是物物相连的互联网。物联网的核心和基础是互联网，只不过用户端实现了任何物品与物品之间都可以进行信息交换和通信。物联网通过智能感知、识别技术等通信感知技术，被称为世界信息产业发展的第三次浪潮。

ESP8266 系列芯片是乐鑫信息科技在 2015 年推出的一款 WiFi 芯片，这款芯片集成度高、功耗低、使用简便，因此在物联网应用领域获得了肯定，是实现基于 WiFi 远程控制的最好选择。

它的大小类似于一张标准的SD 卡的尺寸，可以把用户的物理设备连接到 Wi-Fi 无线网络上，进行互联网通信，实现联网功能。使用ESP8266 联网设置时，通过管脚的暂时接地，把它本身当作热点，用手机smartconfig 软件进行联网参数的写入，来实现wifi连接、网络通迅。

图3

■3.3 使用ESP8266 模块与物联网建立远程联接

ESP8266 模块支持softAP 模式、station 模式、softAP+station 三种模式，这里使用 softAP模式，即把 ESP8266 当作一个WiFi 热点，使用手机APP Smart Config 软件将联网参数写入到ESP8266 芯片，实现与物联网远程连接。

■3.4 本地报警处理子程序

当心率数据不在正常范围内，系统程序根据预先设置好的报警阈值条件，数字口D6 循环输出高低电平，蜂鸣器进行双音报警。当心率数据在正常范围内，D6 输出低电平，报警停止，返回正常检测。

图4

4 软硬件调试及测试

■4.1 串口数据通过上位机显示心率曲线

通过Arduino USB 端口连接到计算机，使用可视化图形软件Processing 来显示心率曲线。

■4.2 与远程物联网的调试与测试

通用物联网平台，一般主要提供传感器数据的接入、储存和输出等服务，它为所有的开源爱好者提供一个物联网平台。

图5

贝壳物联网云平台是一个能够让用户与智能设备沟通更方便的物联网云平台，用户可以通过该平台查看实时数据，用户也可以根据实际需要设置相应的报警阈值，当实际数值达到设定的阈值时，物联平台就可以通过APP、邮件、短信、微信等方式通知用户。

登陆物联平台，根据ESP8266 设备编号DEVICEID 和设备密码APIKEY，添加心率传感器监测设备。

■4.3 紧急一键呼救功能

当老人感到身体不适时，可以使用一键呼救功能进行快速报警。当开关被压下后，数字口得到高电平，通过判断语句使本地蜂鸣器进行报警，同时向物联平台发送某一特定数值，在物联平台对这一特定值的进行远程报警设置，这样就可以将报警呼救信息发送至亲属的手机中，从而实现紧急一键呼救功能。

5 使用3D 立体打印技术设计并制作外观模具

该装置的外观采用SketchUp 软件建模，根据电路板及内置原件的尺寸，建造88mm×62mm×57mm 的长方体模具。

6 总结

■6.1 主要创新点

（1）该系统的设计实现了生命体征参数的实时测量、远程监看、一键远程呼救、云端存储、分析数据、提示报警、共享数据等多种功能。

（2）相对于传统设备而言，该系统成本低廉、体积小巧、易于携带、云端数据的存储功能方便快捷，用户界面友好，尤其对于独居老人可以进行长期数据的监测，并对健康数据进行分析。

（3）该系统支持多平台，手机、平板、计算机等均可使用。

（4）该系统兼容性好，当有新的传感设备加入或者是删除时，并不需要再对网络进行重新配置等繁琐的操作，可快速接入云平台，具有良好的扩展特性。

该成品有望普及进入到大众家庭，为更多的人提供更多的健康保障。伴随着社会的发展，每个人都越来越重视自己的健康，这种设备必将有用武之处。

■6.2 后期可扩展之处

（1）增加血氧饱和度、体温等传感器，显示生命体征数据更加完整。

（2）增加小型液晶显示屏，显示参数。

（3）增加语音模块，对老人做语音健康提醒。

（4）在装置内增加锂电池，防止暂时断电，影响监测。