便携式生命参数监测仪开源分享

描述

许多人在隔离期间感觉很好，但突然间他们的健康状况崩溃了，尽管有帮助，他们还是经常死去。

脉搏血氧仪能够帮助受感染的患者，并指示他们何时应该尽快到医院寻求帮助。

在家中使用脉搏血氧仪，每位患者都可以监测自己的健康状况。这样一来，每个人都绝对做好了抗击疾病的准备。

正常氧饱和度约为 95-98%。吸烟者通常获得较低的利率。氧气水平低于 90% 已经表明严重的呼吸衰竭，但当您的结果为 92% 或更低时，您应该立即去看医生。每天的长期脉搏记录可以提供有关患者健康状况的重要信息。例如，连续的脉搏率监测有助于防止突发心脏病。

这款便携式生命参数监测仪专用于无症状的疑似 COVID-19 疾病患者。

脉搏血氧仪是我们戴在手指上的一个微型设备，它测量血液氧化水平。通常，感染者的氧气含量非常低，这是 Covid-19 的特征性症状。

该设备由几个基本块组成：

• 能够记录心率并确定血液中氧饱和度的生物传感器
• 用于数字信号处理的微控制器
• 通信模块，可通过蓝牙使用无线连接与其他系统进行通信

Mikroelektronika Heart Rate 3 Click Board 被选为生物传感器。

Heart rate 3 click 是一个 mikroBUS 附加板，其功能由两个组件决定：一个 OSRAM 的 SFH7050 脉搏血氧饱和度和心率监测模块，以及一个专门用于生物传感的 Texas Instruments AFE4404（模拟前端）IC。

SFH7050 多芯片封装包含 3 个 LED 和 1 个光电二极管，通过光栅隔开以防止光学串扰。当三个 LED 通过手指发光时，部分光会被脉动的血液吸收。

来自 SFH7050 的模拟信号被转发到 AFE 芯片，该芯片能够从反射光的强度中获得脉冲读数。

AFE4404 传感器使用 i2c 进行通信，因此我们需要将 SCL 和 SDA 线从传感器连接到目标 MCU。

Heart Rate Click 模块示意图如下：

用于数字信号处理的微控制器应具有高效率和低功耗的特点。

该解决方案的理想选择是 FTDI FT900 微控制器。

FT900 嵌入式微控制器包括：

• 高性能、低功耗 32 位 FT32 核心处理器，运行频率为 100MHz
• 256 kB 高速闪存
• USB2.0主机控制器
• USB2.0外设控制器
• 10/100Mbps 以太网控制器
• 实时时钟
• SPI/I2C/UART接口
• 四个定时器 - SD 主机控制器
• 10 位 DAC0/1 通道
• 10位ADC1-7通道
• 具有 5V 容差 I/O 单元的通用 I/O 接口

FT900单片机框图如图所示：

步骤 1 编程数字信号微控制器

FT900 微控制器的程序是用 microC PRO IDE 编写的。此设计环境为这些微控制器提供全面支持。

Microelektronika 为 Heart Rate 3 Click 板提供了完整的库。您可以在以下位置找到它们：

https://libstock.mikroe.com/projects/view/1908/heart-rate-3-click

该库包含 AFE4404 传感器的低级函数和 FT900 MCU 的硬件抽象层 (HAL)。

因为完全编译开发的项目需要付费许可证，所以我们决定将编译后的版本作为二进制文件共享。

Clicker 板有一个内置的引导加载程序。您可以使用 Mikroelektronika 提供的软件对电路板进行编程。

开发的程序使用UART0，参数如下：

• 波特率：115.200
• 8 个数据位
• 无平价
• 1 个停止位
• 硬件流量控制：无

每秒发送一次带有心率和血氧饱和度信息的结果，以分号 (", ") 分隔

串行端口线连接到 GPIO48 (UART0_TXD) 和 GPIO49 (UART0_RXD)。

FT900 微控制器的软件已作为附件放置。

步骤 2 编程蓝牙微控制器

我们选择了 Nordic nRF52840 微控制器作为蓝牙连接的通信微控制器。

nRF52840 微控制器用作蓝牙模块。该 MCU 的唯一任务是通过蓝牙连接将数据从串行端口传输到移动设备。

北欧半。提供带有许多示例和完整文档的软件开发工具包 (SDK)。

必要的代码可以在以下位置找到：

\examples\ble_peripheral\ble_app_uart

该程序用作对等电话应用程序，并通过蓝牙模拟串行端口。

在运行程序之前，您必须对板上的 SoftDevice 进行编程。

SoftDevice 二进制文件位于文件夹中：

\components\softdevice\s140\hex

有几种方法可以对 SoftDevice 进行编程。最好的选择是使用 nRFgo Studio。

你可以在这里找到这个应用程序：

然后您可以使用 S140 SoftDevice 在 nRF52840 上运行蓝牙应用程序。

该应用程序包括一项具有 128 位供应商特定 UUID 服务的服务 (6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E)。

该服务公开了两个特征：一个用于发送，一个用于接收（从对等方看）。

RX 特性（UUID：6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E）

对等方可以通过写入服务的 RX 特性来向设备发送数据。接收到的数据在 UART 接口上发送。

TX 特性（UUID：6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E）

应用程序可以将数据作为通知发送到对等方，并将通过 UART 接收的所有数据作为通知发送。

它使用 nRF52840 板上的两条串行端口线：

• 接收 P0.8
• TX P0.6

第 3 步 Android 应用程序

Android 应用程序是用 MIT App Inventor 编写的。对于 Android 的快速应用程序开发来说，这是一个非常好的环境。

应用如图所示：

应用程序逻辑已使用内置块进行编程：

第 4 步测试

如果您拥有构成系统的所有部分，则可以将它们加入到一个完整的系统中。

1. 将 Mikroelektronika Heart Rate 3 Click Board 放在 Clicker 2 for FT90x 开发板的 mikroBUS 插座中。

2. 使用引导加载程序和带有该 MCU 软件的二进制文件对 FT900 微控制器进行编程。

3. 使用 Embedded Studio 对 Nordic nRF52840 MCU 进行编程。

4. 用电缆连接适当的微控制器串口线：

nRF52840 P0.8 (RX) 到 FT900 GPIO48 (UART0_TXD)

nRF52840 P0.6 (TX) 到 FT900 GPIO49 (UART0_RXD)

两款微控制器均采用 3.3V 供电，因此不需要电压电平转换器

5. 重置两个微控制器

6. 在您的智能手机或平板电脑上安装 Android 应用程序。

7. 启动应用程序并选择适当的蓝牙设备（单击“选择便携式显示器”）。

8. 应用程序每 1 秒更新一次测量结果。

设计的设备通过蓝牙连接将有关测量的心率和血液饱和度的信息发送到智能手机。在为 Android 移动设备开发的特殊应用程序中，每位患者都可以了解自己的健康状况。

硬件组件

• Mikroelektronika 心率 3 点击板，MIKROE-2036
• 用于 FT90x 开发套件的 Mikroelektronika Clicker 2，MIKROE-1724
• Nordic nRF52840 开发套件

软件应用程序和在线服务

• 用于 FT90x IDE 的 Mikroelektronika mikroC PRO
• 适用于 ARM 的 SEGGER Embedded Studio IDE
• 北欧 nRFConnect
• 北欧 nRFgo 工作室
• 麻省理工学院应用发明者