多参数监测智能服饰系统 - 全文

　　随着传感器技术、材料技术和无线通信技术的快速发展，采用将医用监测设备与服装相结合的方法可以较好地满足人们这一需求。

　　文中提出一种穿戴式多参数监测智能服饰系统，它将传感器、织物电缆和柔性电路板有机结合到服装中，实现了在日常生活以及作业环境下对多生理参数的动态、协同监测，具有生理信号检测、信号特征提取功能，并利用蓝牙技术完成数据的备份，以便于进一步分析，也可以利用具有蓝牙功能的通信设备，实现远程医疗服务等功能。

　　1 系统硬件组成

　　蓝牙智能服装系统原理，如图1所示。该系统由电池模块、传感器、柔性电路板、电子织物、中央处理器和蓝牙模块组成。CPU采用ADI公司基于ARM7TDMI内核的ADμC7024处理器，ADμC7024卓越的处理能力、集成众多片上外围器件和芯片低功耗的特点，完全胜任目前本系统的应用。本系统利用传感器无创采集人体的各项生命体征参数，处理器对采集到的信号进行软处理，可以计算出体温、心率、血压等信息。并通过蓝牙模块将信息备份到内置蓝牙的手机、电脑等设备上。在身体状况异常时本系统能够发出警报信号。本系统还可以通过转发来支持远程医疗服务。

　　

 

　　1.1 监测传感器

　　传感器负责测量心率、体温等生命体征参数的采集。考虑到本系统可穿戴式的特点，在传感器的选型方面，尽量选用集成化，灵敏度和精度高的产品，这样既能减少系统电路的面积，便于穿戴，又能提高系统的稳定性和可靠性。

　　血压采集模块采用Freescal公司生产的MPXV5050GP压电传感器，将其置于衣袖中部肘关节内侧，这样可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为输出电信号，具体电路如图2所示。该传感器采用离子注入工艺，内部集成了放大器，滤波器等信号处理单元电路，外部只需要很少的元件即可工作。在输出端输出经过放大和整形的电信号，这样就直接将传感器的输出端接入ADμC7024内部集成的12位ADC进行模数转换。再经过软件处理得到血压值。

　　

 

　　PVDF压电薄膜具有质量轻，质地柔软，耐用性好，压电响应动态范围大的特点，采用多层接触式压电薄膜传感器测量心率，可以减少干扰信号。心率采集模块采用HK-2000H型集成数字脉搏传感器，将其置于服饰的左胸口部，即可用于测量心率。HK-2000H集成了PVDF压电薄膜、高灵敏温度补偿元件、感温元件、程控放大电路、信号调理电路、滤波电路、A/D转换电路。集成化避免了采用分立元件设计电路占用较大面积的缺点。原理图如图3所示。HK-2000H型集成数字脉搏传感器采用USB端口输出，可以方便地对其输出进行软件上的处理。

　　

 

　　体温采集模块采用Maxim公司的模拟温度传感器MAX6612检测体表温度。MAX6612采用5 pin的SC70封装，最大工作电流仅为35μA，具有功耗低、精度高、体积小的特点，并对ADC做了电路上的优化，适合本系统的应用。具体的体温采集电路如图4所示。

　　

 

　　MAX6612输出幅值与所测温度的关系满足表达式

　　

 

　　测量到的输出电信号经过ADμC7024处理器上的1 2位逐次逼近型ADC进行模数转换，转换结果将存储在寄存器ADCDAT0中，通过ADC状态寄存器ADCSTA的最低位可以查看ADC转换是否完成，当ADC转换结束时，最低位被置位。通过读取寄存器ADCDAT0中的值，再利用软件，根据上述算法得到测量的体表温度。

　　1.2 柔性电路板

　　考虑到服装穿着的舒适度，同时又不能影响对生命体征数据的处理。主板的设计采用柔性电路板。该电路板采用聚酰亚胺或聚脂薄膜为基材，可以承受多次弯曲、折叠和卷绕，散热性能好，将其与电子织物结合便可方便地将传感器网络分布于全身各处，既对服装的舒适度影响较小，又利于各项生命体征数据的采集。

　　1.3 电子织物

　　为了在尽量不影响穿着舒适度的条件下便于获取传感器数据，本系统采用将金属导线编织到传统织物中制造电子织物的方法实现衣物中各模块之间的电连接。这样既可以保护金属导线，减少穿着者的不适，又便于将传感器采集到的数据传导到处理器进行处理。

　　1.4 蓝牙模块

　　本系统采用蓝牙模块实现与内嵌蓝牙功能的外部设备的数据交换。为减小系统体积、减轻系统质量和降低功耗，本蓝牙模块采用Class-2设计方案，USB输出，传输距离为10 m，支持蓝牙2.0版本协议能够满足系统的需求。蓝牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片内部集成了8 MB闪存，主要存放的是基带、链路管理层和主机控制接口的软件，还包括一些API，用于对芯片进行配置。前端射频带通滤波器选用MDR771F-CSR-T，巴伦采用TDK公司的HHM-1517完成系统的差分射频信号和天线输入输出信号之间的转换。具体设计方案原理图如图5所示。

　　

 

　　1.5 外扩功能

　　本系统支持系统功能外扩。针对糖尿病、高血压患者的实际需求可以加装测量血糖、血氧等模块，进行对血糖、血氧等的无创连续监测。使穿戴者随时进行测量，方便易操作。

　　2 软件设计

　　本系统软件包括穿戴式监测仪部分和外联设备部分。

　　2.1 穿戴式监测仪软件

　　穿戴式监测仪可以工作在两种模式下：一是心率采集模式，二是全项采集模式，程序方框图如图6所示。当工作于心率采集模式时，穿戴式监测仪实时监测穿戴者心率，并在心率小于某一临界点时，发出报警信号，提醒穿戴者注意，同时经蓝牙将心率数据发送至外联设备。这一模式可以降低功耗，延长电池的使用时间。在接受到外联设备发送的命令后，穿戴式监测仪工作于全项采集模式，这时采集穿戴式检测仪所支持的所有生命体征参数数据，并通过蓝牙模块传输到外联设备。

　　

 

　　2.2 外联设备软件

　　外联设备软件流程图如图7所示。

　　

 

　　外联设备能够遥控控制穿戴式监测仪工作于全项采集模式，将穿戴式监测仪采集到的各项生理指标实时在终端显示屏幕上并保存，方便以后查看。需要的话，能够通过无线网络和Intemet网络将采集到的数据发送给远端的医生，实现远程监测。当使用者的关键生理指标小于或大于某个临界点时，外联设备能将采集到的数据和GPS信息以短信的方式发送给预先设置的紧急联系人并拨打此号码，确保紧急联系人能第一时间知道使用者的身体状况，及时采取救助措施，保护穿着者的生命安全，适合于患有突发性心脏病者使用。

　　3 总结与展望

　　提出并设计了一种用于生命监测的智能服装系统，可以根据使用者的需求选择合适的工作模式。同时该系统通过蓝牙技术将人体、智能手机和电脑等外联设备组网，可以将采集到的生命体征数据进行备份，也便于远程医疗服务的开展。