基于云平台的便携式智能睡眠呼吸监测与报警系统的研究

摘要：本项目是在计算机技术和现代测试技术深层次结合的基础上设计的一种新仪器，对人们睡眠时的呼吸进行实时监测和报警，可通过智能手机和先进的电子技术，充分运用软件能力来实现信号采集、数据实时显示和输出等功能。采用单片机(MCU)为主控制器，可通过无线蓝牙模块和无线局域网(WiFi)模块与智能手机通信，使之对接收的数据进行处理并连接云平台实现数据的存储和共享。

引言

随着科技的发展，人们对睡眠生理和病理有了更深理解，睡眠医学作为现代医学的一个重要组成部分正在建立和发展起来[1]。睡眠障碍是许多疾病形成和发展的重要因素，睡眠的质量问题不仅可能引起人体各种生理功能的低下，而且还会导致一系列周身性病变[2]。国外厂家所生产较先进的病人检测仪，均能在检测病人心脏功能的同时，检测病人的呼吸情况，但目前这类仪器价格昂贵且基本为进口，不易在国内医院和患者中推广使用[3] 。本项目是在计算机技术和现代测试技术深层次结合的基础上设计的一种新型仪器，通过智能手机和先进的电子技术，充分运用软件能力来实现信号采集、数据实时显示和输出等功能[4]。



1 系统功能分析

整个系统功能设计框图如图1所示。由呼吸传感器对人的呼吸情况进行检测，主控单元负责读取呼吸传感器数据并通过无线蓝牙模块和WiFi模块将数据发送到智能手机，同时主控单元还对危险的呼吸状态进行声光报警提示，智能手机可以将一段时间内的呼吸状态以曲线或回放等形式进行显示，也可导出数据供医生分析用。智能手机端能对下位机工作模式进行控制，对工作状态进行显示。

2 系统硬件的设计

硬件电路设计如图2所示。在硬件控制系统中，主要由ST公司型号为STM32的MCU提供系统的指示，配合手机端的指令，共同对呼吸状况进行监测和报警。首先，呼吸传感器将人的原始呼吸幅度的起伏转换为原始电信号[6]，但收集到人的呼吸信号比较微弱，需要经过一定的放大后再经信号调整，最后输送到A/D转换端口，A/D转换后的数据可由软件编程进行控制和处理(如对数据进行存储，监测到呼吸状况异常，启动报警机制等)，亦可由串口连接无线蓝牙模块或WiFi模块发送数据到手机端，让手机端进行处理。声光报警由单片机端口连接二极管和蜂鸣器，交由软件控制其工作状态。



3 系统程序设计

3.1 MCU程序设计

便携式智能睡眠呼吸监测与报警系统主程序会直接影响到系统的性能，而监测的精确度和有效性对系统的功效起决定性作用[7]。单片机程序设计流程图如图3所示。MCU初始化设置是硬件系统正常工作的基础。A/D转换采样间隔的合理采取使得MCU能更精确地监测，并减少不必要的内存空间。若采样间隔过大，则无法探知危险，不能及时报警和准确地显示被测者的呼吸质量;若采样间隔过小，则数据量过于庞大，给数据的存储和处理带来困难，也不利于系统高效低耗的运行。串口连接着无线蓝牙和WiFi模块，是MCU与手机端进行交互的跳板，MCU可以单独完成数据的存储和处理，并及时报警，也可通过与手机端建立联系，将数据发送至手机端进行处理，再向单片机发送各种请求。



3.2 手机端程序设计

手机端主要对MCU起辅助作用，但也能自成一体。与MCU结合时作为实时报警和监测显示装置，单独工作时便对以往呼吸状况重新显示，有助于医生分析掌握病情。手机端程序设计如图4所示。首先，采用人性化界面的设计，给用户一个良好的视觉感受，且操作简单。其次，与无线蓝牙和WiFi连接配对，确保数据能正常发送接收。另外，是对将数据保存至本地或云平台，以便能节省手机储存空间，随时随地调出历史数据以供医生诊治。最后，是对数据进行处理，通过友好的图形界面，实时显示呼吸状况和显示历史呼吸状况，同时当监测到不正常呼吸状况时启动报警，如手机震动或发出报警铃声等。

4 系统功能测试说明

本系统采用的功能测试流程如图5所示。

                                
               
4.1 呼吸传感器设计

呼吸质量的监测有多种指标，结合现实因素考虑，最终选择方案为通过磁感应来获得所需要的信息，人呼吸时的起伏带动磁通量的变化，再将磁通量的变化转化为电信号，不断调整放大倍数，获得精确有效的信息[8]。

4.2 下位机控制蓝牙和WiFi模块进行通信

WiFi模块与蓝牙模块的配置如下

蓝牙配置：
AT/*测试通讯*/
AT+NAMEbreath/*修改蓝牙名称为breath*/
AT+BAUD4 /*修改波特率为9600*/
AT+PIN1234 /*修改配对密码为1234*/
WiFi模块配置：
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

无线蓝牙模块和WiFi模块能与MCU正常连接，接收和发送数据。

4.3 主控单元监测分析传感器数据进行声光报警

给出一定的模拟信号，主控单元能正确的识别出不正常的呼吸状况，并启动报警，LED灯开始闪烁，蜂鸣器开始发声[9]。

4.4 各功能单元工作状态的控制与低功耗设计工作

后期精简不必要的元件，缩小仪器的体积。器件的选择，在确保精确度的前提下，使用低功耗的器件，适当修缮主程序，使其更高效稳定工作。

4.5 上位机手机端的高度智能化、人性化的软件设计

MCU与手机间的无线通信要求二者建立协议，以保证数据传输的可靠性，同时传输一些特定的命令指令来维持系统的运行。

MCU与手机端的协议如下

命令格式
$000# 停机
$001# MCU启动
$002#测试单个数据
$003#测试连续数据
$004#读取MCU状态
$005#读取MCU数据长度
$006#读取指定数据长度
$007#读取命令数据
$008#发动报警机制
数据格式
单个数据格式：&___#
连续数据格式：%________________#
固定长度数据格式：@__________#(10位)