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(xué)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)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(dǎo)致一系列周身性病變[2]。國外廠家所生產(chǎn)較先進(jìn)的病人檢測儀,，均能在檢測病人心臟功能的同時(shí),，檢測病人的呼吸情況，但目前這類儀器價(jià)格昂貴且基本為進(jìn)口，不易在國內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用[3] ,。本項(xiàng)目是在計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)深層次結(jié)合的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的一種新型儀器,，通過智能手機(jī)和先進(jìn)的電子技術(shù)，充分運(yùn)用軟件能力來實(shí)現(xiàn)信號采集,、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和輸出等功能[4],。

　　1 系統(tǒng)功能分析

　　整個(gè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由呼吸傳感器對人的呼吸情況進(jìn)行檢測,，主控單元負(fù)責(zé)讀取呼吸傳感器數(shù)據(jù)并通過無線藍(lán)牙模塊和WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī),，同時(shí)主控單元還對危險(xiǎn)的呼吸狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警提示，智能手機(jī)可以將一段時(shí)間內(nèi)的呼吸狀態(tài)以曲線或回放等形式進(jìn)行顯示,，也可導(dǎo)出數(shù)據(jù)供醫(yī)生分析用,。智能手機(jī)端能對下位機(jī)工作模式進(jìn)行控制，對工作狀態(tài)進(jìn)行顯示,。

　　2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

　　硬件電路設(shè)計(jì)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(jī)端的指令,，共同對呼吸狀況進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)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(jìn)行控制和處理(如對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，監(jiān)測到呼吸狀況異常,，啟動(dòng)報(bào)警機(jī)制等),，亦可由串口連接無線藍(lán)牙模塊或WiFi模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到手機(jī)端，讓手機(jī)端進(jìn)行處理,。聲光報(bào)警由單片機(jī)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(shè)計(jì)

　　3.1 MCU程序設(shè)計(jì)

　　便攜式智能睡眠呼吸監(jiān)測與報(bào)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(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。MCU初始化設(shè)置是硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),。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(xiǎn),，不能及時(shí)報(bào)警和準(zhǔn)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(yùn)行,。串口連接著無線藍(lán)牙和WiFi模塊，是MCU與手機(jī)端進(jìn)行交互的跳板,，MCU可以單獨(dú)完成數(shù)據(jù)的存儲和處理,，并及時(shí)報(bào)警，也可通過與手機(jī)端建立聯(lián)系,，將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端進(jìn)行處理,，再向單片機(jī)發(fā)送各種請求。

　　3.2 手機(jī)端程序設(shè)計(jì)

　　手機(jī)端主要對MCU起輔助作用,，但也能自成一體,。與MCU結(jié)合時(shí)作為實(shí)時(shí)報(bào)警和監(jiān)測顯示裝置，單獨(dú)工作時(shí)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(jī)端程序設(shè)計(jì)如圖4所示。首先,，采用人性化界面的設(shè)計(jì),，給用戶一個(gè)良好的視覺感受，且操作簡單,。其次,，與無線藍(lán)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(jī)儲存空間,，隨時(shí)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(jìn)行處理,，通過友好的圖形界面,，實(shí)時(shí)顯示呼吸狀況和顯示歷史呼吸狀況，同時(shí)當(dāng)監(jiān)測到不正常呼吸狀況時(shí)啟動(dòng)報(bào)警,，如手機(jī)震動(dòng)或發(fā)出報(bào)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。

　　4.1 呼吸傳感器設(shè)計(jì)

　　呼吸質(zhì)量的監(jiān)測有多種指標(biāo),，結(jié)合現(xiàn)實(shí)因素考慮,，最終選擇方案為通過磁感應(yīng)來獲得所需要的信息，人呼吸時(shí)的起伏帶動(dòng)磁通量的變化,，再將磁通量的變化轉(zhuǎn)化為電信號，不斷調(diào)整放大倍數(shù)，獲得精確有效的信息[8],。

　　4.2 下位機(jī)控制藍(lán)牙和WiFi模塊進(jìn)行通信

　　WiFi模塊與藍(lán)牙模塊的配置如下

　　藍(lán)牙配置：

　　AT/*測試通訊*/

　　AT+NAMEbreath/*修改藍(lán)牙名稱為breath*/

　　AT+BAUD4 /*修改波特率為9600*/

　　AT+PIN1234 /*修改配對密碼為1234*/

　　WiFi模塊配置：

　　at+netmode=2

　　at+dhcpd=0

　　at+wifi_conf=breath,wpawpa2_aes,12345678

　　at+dhcpc=1

　　at+net_ip=0.0.0.0,0.0.0.0,0.0.0.0

　　at+net_dns=0.0.0.0,0.0.0.0

　　at+remotepro=tcp

　　at+mode=server

　　at+remoteip=192.168.11.245

　　at+remoteport=8080

　　at+CLport=

　　at+timeout=0

　　at+uart=115200,8,n,1

　　at+uartpacklen=64

　　at+uartpacktimeout=10

　　at+net_commit=1

　　at+reconn=1

　　無線藍(lán)牙模塊和WiFi模塊能與MCU正常連接,，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　4.3 主控單元監(jiān)測分析傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行聲光報(bào)警

　　給出一定的模擬信號,，主控單元能正確的識別出不正常的呼吸狀況,，并啟動(dòng)報(bào)警，LED燈開始閃爍,，蜂鳴器開始發(fā)聲[9],。

　　4.4 各功能單元工作狀態(tài)的控制與低功耗設(shè)計(jì)工作

　　后期精簡不必要的元件，縮小儀器的體積,。器件的選擇,，在確保精確度的前提下，使用低功耗的器件,，適當(dāng)修繕主程序,，使其更高效穩(wěn)定工作。

　　4.5 上位機(jī)手機(jī)端的高度智能化,、人性化的軟件設(shè)計(jì)

　　MCU與手機(jī)間的無線通信要求二者建立協(xié)議,，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)傳輸一些特定的命令指令來維持系統(tǒng)的運(yùn)行,。

　　MCU與手機(jī)端的協(xié)議如下

　　命令格式

　　$000# 停機(jī)

　　$001# MCU啟動(dòng)

　　$002#測試單個(gè)數(shù)據(jù)

　　$003#測試連續(xù)數(shù)據(jù)

　　$004#讀取MCU狀態(tài)

　　$005#讀取MCU數(shù)據(jù)長度

　　$006#讀取指定數(shù)據(jù)長度

　　$007#讀取命令數(shù)據(jù)

　　$008#發(fā)動(dòng)報(bào)警機(jī)制

　　數(shù)據(jù)格式

　　單個(gè)數(shù)據(jù)格式：&___#

　　連續(xù)數(shù)據(jù)格式：%________________#

　　固定長度數(shù)據(jù)格式：@__________#(10位)

　　5 結(jié)束語

　　低價(jià)格高實(shí)用性的呼吸監(jiān)測儀,，有很大的市場，特別對于有睡眠呼吸障礙的人群,，該儀器不僅可以對睡眠呼吸的不正常狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警,，還可以記錄整個(gè)睡眠過程中的呼吸狀態(tài)，便于本人及醫(yī)生分析掌握病情,，從而為廣大呼吸暫停低通氣癥患者帶來更好的,、科學(xué)的監(jiān)護(hù)和診治。同時(shí)該儀器還能使用無線通信與智能手機(jī)結(jié)合,，智能化程度高,，更加人性化。

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