摘 要： 設計與實現(xiàn)了一種基于STM32芯片、用于居家環(huán)境下的健康一體機控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)由電源管理模塊,、藍牙模塊、SD卡模塊,、OLED顯示模塊等幾部分組成,，可以用于控制與處理多生理參數(shù)模塊采集到的心電、血氧飽和濃度,、血壓,、脈搏率、呼吸率,、體溫等人體生理信息數(shù)據(jù),，并且可以對數(shù)據(jù)解析進行OLED屏顯示以及通過藍牙或串口發(fā)送給外界顯示設備進行顯示。系統(tǒng)利用模塊化設計理念,，可以適應不同多生理參數(shù)采集模塊,，具有多功能,、擴展性能好、可移植性高等特點,。同時,，系統(tǒng)利用OLED屏進行顯示，區(qū)別于傳統(tǒng)的醫(yī)用大型設備,，有效地減小了設備體積,，降低了設備使用功耗，便于居家環(huán)境下使用,。
關鍵詞： 多參數(shù); STM32; 數(shù)據(jù)協(xié)議; OLED
人體各項生理參數(shù)反映著人體健康方面的信息,，近年來，人們的醫(yī)療觀念逐漸從傳統(tǒng)的疾病治療向早期預防和保健護理方面轉變,，希望能夠在家中方便及時地了解病人,、老年人和兒童等家庭成員的身體狀況，甚至希望在無人看管的情況下能夠隨時監(jiān)護病人的健康狀態(tài),，實現(xiàn)對亞健康,、潛伏性疾病人群的常見疾病、突發(fā)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和預測[1],。因此,，一款便于攜帶、操作簡便,、適宜家庭用戶使用的并且可以用于健康信息監(jiān)測的智能化,、個性化的健康采集和管理終端——基于STM32控制系統(tǒng)的健康一體機成為了市場的迫切需求。
本控制系統(tǒng)可以控制多生理參數(shù)模塊檢測人體的某些重要的生理參數(shù),如心電(ECG),、血氧飽和度(SPO2),、呼吸(RESP)、無創(chuàng)血壓(NBP(收縮壓,、平均壓和舒張壓)),、體溫(Temp)以及脈搏(Pulse),能夠在居家環(huán)境下通過OLED屏幕實時顯示測量結果，通過電視機頂盒與電視機連接實時顯示測量結果,，也可以連接電腦,、智能手持終端顯示測量結果。該系統(tǒng)通過有線和無線傳輸方式實現(xiàn)與計算機通信,，可以把測量到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中,，同時也可以儲存到Micro SD卡中，以便日后醫(yī)生診斷用戶病情時作為一定的參考[2],。由控制系統(tǒng)組成的健康一體機的使用環(huán)境為居家環(huán)境,，如家中客廳的沙發(fā)茶幾以及臥室中的床頭柜均可以擺放該設備。對于家庭用戶來說,該設備連接方式簡單，便于操作且易于擺放,，從而區(qū)別于傳統(tǒng)的參數(shù)單一,、功能簡單、體積較大而又僅限于在醫(yī)院使用的大型醫(yī)用設備[3],。
1 控制系統(tǒng)的總體設計
健康一體機控制系統(tǒng)以STM32芯片為控制核心,，由電源管理模塊、藍牙模塊,、RS232通信模塊,、SD卡模塊、OLED顯示模塊等組成,其整體架構如圖1所示,?？刂葡到y(tǒng)與外部顯示設備的連接分為有線和無線方式，有線方式下使用RS232串口,，無線方式下使用藍牙方式,。數(shù)據(jù)實時顯示分為獨立屏和外接設備顯示，獨立顯示采用了OLED屏,，外界顯示為PC,、電視機連接機頂盒、智能手持終端等方式,。
2 控制系統(tǒng)的硬件電路設計與軟件設計
2.1芯片選擇
本系統(tǒng)選用意法半導體STM32F103VCT6芯片為主控芯片,，該芯片以ARM Cortex-M3為內核，是32 bit芯片,，時鐘頻率為72 MHz，從而區(qū)別于功能簡單的8 bit單片機,。專門應用于對性能要求較高,、成本要求較低以及低功耗的場合,是一款在醫(yī)療設備里比較常用的芯片[4]。
2.2 控制系統(tǒng)的硬件設計
本系統(tǒng)通過控制與接收多生理參數(shù)采集模塊采集到的生理信號數(shù)據(jù),，通過串行通信2口傳送到主控芯片,，主控芯片對數(shù)據(jù)進行解析，然后通過控制OLED顯示屏進行測量結果顯示,，或通過有線,、無線方式傳送到顯示終端。同時,，將采集到的數(shù)據(jù)通過SD卡電路部分保存到Micro SD卡中,，方便用戶數(shù)據(jù)的拷貝和查看。模塊程序下載同時設計JTAG下載和串口下載兩種方式,，通過BOOT位進行設定,。模塊裝有3 V備份電池，為RTC時鐘提供備份電源，能保障系統(tǒng)斷電后時鐘數(shù)據(jù)恢復正常,。圖2所示為控制及數(shù)據(jù)處理模塊的部分硬件電路,。
控制系統(tǒng)采用12 V直流電源，通過電源管理模塊控制繼電器吸合,，同時ASM1117-5,、ASM1117-3.3兩款芯片可以提供12 V、5 V,、3.3 V直流電壓,。其中，12 V用于多生理參數(shù)采集模塊和OLED顯示模塊,，5 V用于RS232串口模塊,，3.3 V電源供給主控芯片、藍牙模塊以及Micro SD卡模塊,。同時,控制系統(tǒng)具備12 V鋰電池充電電路,可以在不使用外界電源情況下單獨使用鋰電池為控制系統(tǒng)供電,。電源部分硬件電路如圖3所示。
2.3 控制系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件部分是在KEIL MDK for ARM 開發(fā)平臺下進行開發(fā)和調試的,。該軟件是由德國KEIL公司開發(fā),，針對各種嵌入式應用推出的。
系統(tǒng)軟件流程如圖4所示,。首先控制系統(tǒng)通過時鐘配置以及串口1,、串口2、OLED屏和GPIO口等初始化,，開啟系統(tǒng)中斷進行中斷檢測,，然后控制多生理參數(shù)模塊通過體溫探頭、血壓袖帶,、血氧探頭,、心電導聯(lián)線分別對體溫、血壓,、血氧,、心電等生理信號進行采集，再通過多參數(shù)生理采集板上的相應模塊對采集到的信號進行分析和處理[5],?？刂葡到y(tǒng)通過串口2采集到生理信號數(shù)據(jù)，當檢測到串口發(fā)送過來數(shù)據(jù),，中斷響應,，依據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析，把解析出來的生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過OLED屏以每5 s一次的切屏顯示,，同時把測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到Micro SD卡當中進行存儲,。同時,，通過UART1把所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS232串口或藍牙模塊，進而通過有線或無線數(shù)據(jù)傳輸,把數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設備進行顯示,。
2.4 串口數(shù)據(jù)包格式
數(shù)據(jù)包由1 B包類型ID字節(jié),、N(N≤8)B數(shù)據(jù)+1 B校驗和構成。包的最大長度為10 B(包含包類型ID和校驗和),，數(shù)據(jù)的最大長度為8 B,。數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)頭和N-1個數(shù)據(jù)構成。數(shù)據(jù)包格式如圖5所示,。
包類型ID的最高位Bit7為0,，數(shù)據(jù)和校驗和的最高位Bit7為1。所有包的數(shù)據(jù)頭依次包含數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位,，如：數(shù)據(jù)頭的Bit0為數(shù)據(jù)1的Bit7,，數(shù)據(jù)頭的Bit1為數(shù)據(jù)2的Bit7。
2.5 控制系統(tǒng)的OLED顯示部分設計
該控制系統(tǒng)使用1.54英寸128×64像素的OLED屏進行顯示,，區(qū)別于傳統(tǒng)的LCD液晶屏,，OLED顯示屏幕可視角度大，顯示清晰,，并且能夠顯著節(jié)省電能,，降低了系統(tǒng)功耗。鑒于顯示內容多,，且為了便于查看測量結果,，測量結果采用分屏間隔顯示設計。機器開啟時屏幕顯示時間日期等信息,，便于觀察測量時間,。測得具體參數(shù)時便切換到對應屏幕。圖6為OLED屏幕顯示的一組測試數(shù)據(jù)信息,。
3 控制系統(tǒng)性能測試及總結
根據(jù)以上控制系統(tǒng)的設計方案制作了健康一體機樣機,。對樣機性能進行測試分析，使用醫(yī)療器械檢測部門常用的模擬設備(Fluke多生理參數(shù)模擬儀,、Fluke血氧模擬儀、BP-2L血壓模擬儀等)對樣機參數(shù)進行測試對比,，得到如圖7,、表1、表2所示的數(shù)據(jù),。
對樣機功能經(jīng)過各項指標測試,，結果顯示，該樣機穩(wěn)定性良好,，測量數(shù)據(jù)符合標準,。此外,，對藍牙連接方式和RS232連接方式分別接外部顯示設備測試，通過與OLED顯示結果對比發(fā)現(xiàn),，其發(fā)送數(shù)據(jù)準確,，外部顯示設備穩(wěn)定。因此,，基于控制系統(tǒng)設計的健康一體機工作性能穩(wěn)定,，符合預期設計要求。該樣機對于家庭用戶來說設備連接方式簡單,，便于操作,，而且易于擺放，具有廣泛的應用前景,。
參考文獻
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[2] Liu Bin, Luo Senlin, Pan Linmin, et al. New method of judging sub-health state based on rough sets and BP neural network[C]. 2010 International Conference on Biomedical Engineering and Computer Science, ICBECS 2010, Wuhan,2010.
[3] 李羅,文軍,何為.基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀的研究[J]. 電子技術應用, 2009,35(11):71-74,78.
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[5] SROVNAL V, PENHAKER M. Health maintenance embedded systems in home care applications[C]. 2nd International Conference on Systems, ICONS 2007, Martinique, 2007.