腕帶結(jié)題論文

1、 基于物聯(lián)網(wǎng)的云運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)摘要：隨著人民生活水平的提高，生活節(jié)奏的加快，人們對生活質(zhì)量的要求也越來越高，故將現(xiàn)代極度發(fā)達(dá)的各種基于測量技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)等和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域結(jié)合起來，利用物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)已經(jīng)是刻不容緩。本設(shè)計則可以準(zhǔn)確地測量出人體的血氧飽和度和體溫，通過各種傳感器將人體生理信號采集儲存，并通過傳輸線路導(dǎo)入單片機(jī)進(jìn)行處理，然后以數(shù)據(jù)、圖形等形式顯示出來，將抽象的東西形象化，以便人們參考,除此外該系統(tǒng)檢測參數(shù)多，體積小巧、攜帶方便，即使在室外，也可以定時、連續(xù)、長時間地檢測人體的重要生理參數(shù)，并利用物聯(lián)網(wǎng)的通信手段，將檢測到的信息發(fā)送到醫(yī)護(hù)人員的接收端，它在保障病人的生

2、命安全方面無疑具有重要的臨床使用價值。本論文主要介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計方法與思想，并對本課題中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的設(shè)計原理及軟、硬件設(shè)計要點。關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng) 便攜式 生理信號 實時監(jiān)測 一、 項目意義當(dāng)今社會人們越來越關(guān)注自己的身體健康，尤其是當(dāng)下各種疾病來勢洶洶的時代。人體運動各方面的生理指標(biāo)可以時時刻刻反映出人體的健康狀態(tài)。對于這種情況，國際上各種用來監(jiān)測人體各項指標(biāo)的醫(yī)療設(shè)備層出不窮，各個醫(yī)療器械公司都在紛紛研制更現(xiàn)代化的設(shè)備。因此，為了彌補(bǔ)現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備的不足，使病人受到更多的益處，本項目將研制更為方便、實用的人體運動狀態(tài)康監(jiān)測系統(tǒng)。人體運動的健康狀態(tài)可以由人體的體

3、溫、血氧飽和度等反映出來，我們只需將人體的這些參數(shù)與健康人體信息參數(shù)比較就可以知道此人是健康。而現(xiàn)在要做出人體全方位的生理參數(shù)必須要去醫(yī)院用專用的大型設(shè)備測量，這樣會給人們帶來很多的不便，每個人不會動不動就去醫(yī)院做各方面的檢查，這樣不僅病人花費大，而且會占用醫(yī)院大量的資源，會對其他急需做檢查的病人產(chǎn)生不便，所以我們需要一款具備實時監(jiān)測人體運動狀態(tài)、采集記錄相關(guān)數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)的設(shè)備，這種設(shè)備體積小，可以讓人們在任何地方進(jìn)行測量，簡單、易于操作。此設(shè)備具備兩方面的分析功能，即：1、將采集來的信息經(jīng)過單片機(jī)等一系列的記錄（儲存）、處理并且分析后給出人們初步的建議；2、將這些儲存的數(shù)據(jù)發(fā)送至社區(qū)醫(yī)院或

4、者大型醫(yī)院的醫(yī)生，由醫(yī)生用計算機(jī)接收、顯示出此人的各項參數(shù)并且加以分析，將診斷結(jié)果和建議傳送回本人，以便于其做出相應(yīng)的措施。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)人們?nèi)耸忠粋€，不用再頻繁的去往醫(yī)院檢查，既克服了傳統(tǒng)醫(yī)療器械的體積龐大，操作復(fù)雜的缺點，使人們在家里就可以實時知道自己的身體狀況和醫(yī)生的建議，又為人們節(jié)約了金錢和時間，同時對人體健康做出巨大的貢獻(xiàn)。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計本設(shè)計以血氧飽和度模塊、體溫模塊為核心，擴(kuò)展了USB接口、大容量的數(shù)據(jù)儲存器、液晶顯示芯片及控制器等外觀設(shè)備。Get方式提交參數(shù) 系統(tǒng)總體框圖如圖1一1所示:它完成生理信號的采集、數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)的通信以及利用物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)送。醫(yī)生采集設(shè)備Ar

5、duino手機(jī)WEB端和社區(qū)醫(yī)院（服務(wù)器）血氧飽和藍(lán)牙發(fā)送體溫信號 將信息反饋給人體 圖1 系統(tǒng)總體框圖血氧飽和度探頭和熱敏電阻采集用戶的血氧飽和度和體溫信號，然后經(jīng)過放大、濾波等電路，最后通過Arduino對信號進(jìn)行處理，由藍(lán)牙將信號發(fā)送至用戶的Android手機(jī)上并進(jìn)行繪圖；最后用戶通過Android使用Get方式提交參數(shù)給Web，Web端將體溫和血氧飽和度的數(shù)據(jù)反饋給用戶并提交到醫(yī)院的服務(wù)器和后臺數(shù)據(jù)庫中。三、 實驗原理1. 血氧飽和度的測量1.1氧飽和度監(jiān)測的意義 人體機(jī)體內(nèi)細(xì)胞中的許多物質(zhì)都是靠生物氧化過程生成的，實時監(jiān)護(hù)人體組織中氧的代謝及運輸過程，可以間接獲得細(xì)胞的代謝狀態(tài)，血氧

6、飽和度還是睡眠分析的一個重要參數(shù)，氧氣供給的缺乏將直接影響細(xì)胞的新陳代謝，許多臨床疾病都會造成氧氣供給的缺乏。因此，對動脈血氧飽和度的實時監(jiān)測在臨床上十分必要。 1.2血氧飽和濃度監(jiān)測原理 臨床上多用功能氧飽和度來反映血液中氧含量的變化，無損傷血氧飽和度測量是基于動脈血液對光的吸收量隨動脈搏動而變化的原理來進(jìn)行測量的。當(dāng)用兩種特定波長的恒定光1、2照射手指時，如果適當(dāng)選擇入射光波長1(Hb02、Hb在此處具有等吸收特性，即約805nm)，運用Lambert-Bear定律并根據(jù)氧飽和度的定義可推出動脈血氧飽和度的近似公式為： Sa02=a+bQ    式中：Q為兩種

7、波長(Hb02、Hb)的吸光度變化之比a、b為常數(shù)，與儀器傳感器結(jié)構(gòu)、測量條件有關(guān)。無創(chuàng)血氧飽和度的檢測原理是根據(jù)Beer-Lambert定律，引出分光光度法進(jìn)行物質(zhì)定性分析和定量分析。 根據(jù)朗伯-比爾定律可以得出單色光透過某均勻溶液后透射光強(qiáng)I與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：式中：E表示該溶液對某特定單色光的吸光系數(shù)；C表示該溶液的濃度；D表示光透過溶液所經(jīng)光程長度。若定義吸光度A為：A=ln(I0I)=ECD (2) 假如均勻組織為血管，當(dāng)動脈血脈動時，D將有一個D的改變，此時透射光I也將有一個I的改變，此時吸光度A的改變A為：A=lnI(I-I)=EC×D (3) 根據(jù)醫(yī)學(xué)定義，由于含氧

8、血紅蛋白和還原血紅蛋白處于同一血液溶液中，他們的含量之比即為濃度之比，這樣血氧飽和度為：先定義W如下：式中：W即為該色光光電信號的交直流成份之比，由以上表達(dá)式再根據(jù)數(shù)學(xué)變換，當(dāng)有兩路光源透射過手指后最終可以推出血氧飽和度的計算表達(dá)式為：式中：Ei表示不同物質(zhì)的吸光系數(shù)，對于一定波長和一定組織成分而言，Ei是確定的常量。將上式寫為如下形式，并展開成二階泰勒級數(shù)為：只要測量出色光光電信號的交直流成份之比WW與標(biāo)準(zhǔn)血氧計測量的血氧飽和度，利用最小二乘法二次曲線擬合技術(shù)，確定常數(shù)A，B，C就可以得到血氧飽和度經(jīng)驗公式。2. 體溫檢測模塊2.1 體溫的生理意義 人體溫度相對恒定是維持人體正常生命 活動的

9、重要條件之一，如體溫高于41度或低于25度時將嚴(yán)重影響各系統(tǒng)（特別是神經(jīng)系統(tǒng)）的機(jī)能活動，甚至危害生命。機(jī)體的產(chǎn)熱和散熱，是受神經(jīng)中樞調(diào)節(jié)的，很多疾病都可使體溫正常調(diào)節(jié)機(jī)能發(fā)生障礙而使體溫發(fā)生變化。臨床上對病人檢查體溫，觀察其變化對診斷疾病或判斷某些疾病的預(yù)后有重要意義。2.2 熱敏電阻簡介我們采用熱敏電阻作為溫度傳感器，熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電

10、阻值越低，這里我們采用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。它們同屬于半導(dǎo)體器件。熱敏電阻的主要特點是：1.靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；2.工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355；3.體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；4.使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；5.易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；6.穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。2.3 NTC型熱敏電阻測量人體體溫的原理 NTC（Negative Temperature C

11、oeffiCient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料 NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為：Rt = RT *EXP(Bn*（1/T-1/T0) 式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數(shù)

12、陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體特性決定的 NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫嫠臏y量范圍一般為-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200環(huán)境中作測溫用RT為NTC熱敏電阻器；R2和R3是電橋平衡電阻；R1為起始電阻；R4為滿刻度電阻，校驗表頭，也稱校驗電阻；R7、R8和W為分壓電阻，為電橋提供一個穩(wěn)定的直流電源R6與表頭（微安表）串聯(lián)，起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用R5與表頭并聯(lián)，起保護(hù)作用在不平衡電橋臂（即R1、RT）接入一只熱敏元件RT作溫度傳感探頭由于熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化，因而使接在電橋?qū)蔷€間的

13、表頭指示也相應(yīng)變化這就是熱敏電阻器溫度計的工作原理三、系統(tǒng)各模塊簡介1.硬件部分1.1中央主芯片本系統(tǒng)控模塊采用Arduino控制器。Arduino單片機(jī)擁有開放源代碼的電路圖設(shè)計，具有獨立的模擬、數(shù)字接口，自帶十位的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，容易掌握運用，程序開發(fā)接口免費下載， 使用低價格的微處理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入，并且可以使用現(xiàn)有的電子元件例如開關(guān)或者傳感器或者其他控制器件、LED、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置。Arduino也可以獨立運行，并與軟件進(jìn)行交互。1.2血氧飽和度監(jiān)測模塊 1.2.1血氧飽和濃度監(jiān)測硬件設(shè)計該系統(tǒng)的基本工作

14、過程是由單片機(jī)產(chǎn)生的時序控制信號，交替驅(qū)動發(fā)光二極管分時照射手指，將光電接收器輸出的信號通過放大濾波處理送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并計算出血氧飽和濃度。血氧飽和濃度檢測模塊系統(tǒng)框圖如下圖2 血氧飽和濃度檢測模塊系統(tǒng)框圖1.3 體溫監(jiān)測模塊1.3.1 體溫監(jiān)測部分硬件設(shè)計體溫測量模塊最基本的功能是測量人體的體溫，并將測得的體溫值傳輸?shù)绞謾C(jī)或PC上，并可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。該系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)、熱敏電阻和藍(lán)牙等部分組成，完成體溫的測量和傳輸。該系統(tǒng)部分設(shè)計原理不要基于熱敏電阻對于溫度的敏感性，即其電阻值隨溫度的變化而變化，我們通過多次測量在不同溫度下熱敏電阻的不同阻值，得到熱敏電阻的阻值與

15、溫度之間的函數(shù)關(guān)系，如圖所示：圖3 熱敏電阻特性由圖可知，我們采用的是NTC型熱敏電阻，電阻阻值隨溫度升高而降低，并且函數(shù)關(guān)系近似為一條直線。對于體溫的測量電路就是由此設(shè)計的。2.軟件部分Default.aspx為輸入數(shù)據(jù)頁面代碼Default.aspx.cs后臺代碼Accept.aspx.cs接受并顯示數(shù)據(jù)代碼Default.aspx和Accept.aspx.cs詳細(xì)代碼見附錄四、數(shù)據(jù)處理與顯示1.結(jié)果展示 用戶使用Android手機(jī)由Get方式提交參數(shù)給Web，顯示在如下頁面。圖4 數(shù)據(jù)接收Web端界面 Web端接受到用戶數(shù)據(jù)之后通過“GET提交數(shù)據(jù)”按鈕將接收到的用戶生理狀態(tài)參數(shù)提交到后

16、臺數(shù)據(jù)庫存儲并同時提交到醫(yī)院的服務(wù)器。圖5 數(shù)據(jù)顯示W(wǎng)EB端2.實現(xiàn)的功能1、采集到人體的體溫、血氧飽和度等信息，由藍(lán)牙將信號發(fā)送至用戶的Android手機(jī)上并進(jìn)行繪圖，被測者可以及時、清楚地獲得自身生理信息；2、采集到的信息通過Android使用Get方式提交參數(shù)給Web，Web端將體溫和血氧飽和度的數(shù)據(jù)反饋給用戶并提交到醫(yī)院的服務(wù)器和后臺數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)醫(yī)生及時診斷并給出相應(yīng)建議； 3、操作簡便，適合大多數(shù)人群使用；4、集合多生理參數(shù)同時進(jìn)行采集，使被測者獲得更多跟自己有關(guān)的生理參數(shù)。五、創(chuàng)新點 1.測量準(zhǔn)確我們所研究的基于云的人體運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量出人體的血樣飽和度和體溫信息

17、。2.智能化，適用于各種人群本系統(tǒng)是通過各種傳感器將人體生理信號采集儲存，由傳輸線路導(dǎo)入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，然后顯示出來，將抽象的東西形象化，以便人們參考，操作不需要專門培訓(xùn)，所以適用于各種人群。3.使用的地點不受限制體積小，方便攜帶，而且藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離的無線傳輸協(xié)議，使用的是在任何領(lǐng)域都不受限制的短波頻段，能夠便利的在一個較小范圍內(nèi)固定設(shè)備或移動設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，所以使用時不受地地域和時間的限制，人們可以隨時隨地的檢測自身的生理信號。4、基于云的Web端手機(jī)客戶端可以與基于云的Web端和醫(yī)院服務(wù)器相連接；在線提交數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲；醫(yī)生可以通過醫(yī)院服務(wù)器了解用戶生理狀況，對數(shù)

18、據(jù)進(jìn)行再分析，并及時反饋給用戶，方便快捷并且準(zhǔn)確度高。六、前景展望隨著集成電路技術(shù)、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療電子儀器的發(fā)展是非常迅速的。雖然生理監(jiān)測技術(shù)很早就出現(xiàn)了，但隨著時代的發(fā)展，各種新方法和手段開始引入到人體運動狀態(tài)監(jiān)測中來，人體運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已不滿足于簡單的信號采集和顯示。主要的研究和發(fā)展趨勢包括以下幾個方面。(1)生理信號分析自動化從目前國內(nèi)外的相關(guān)信息來看，生理信號的分析自動化并沒有取得突破性的進(jìn)展。主要是因為生理信號過于復(fù)雜，抗干擾能力差，目前還缺乏一套令人滿意的算法，因此在生理信號自動分析領(lǐng)域還需要作大量的研究工作。多種方法交叉分析是目前發(fā)展的一個熱點，如小波分析，模式識

19、別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。(2)小型化 采集同步化隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，隨身監(jiān)測儀器趨于小型化和便攜化。如，便攜式多參數(shù)生理監(jiān)測系統(tǒng)代表了此發(fā)展趨勢。(3)網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療和診斷系統(tǒng)也慢慢的開始出現(xiàn)，因此將生理信號監(jiān)測設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連以實現(xiàn)人體運動狀態(tài)的現(xiàn)場采集，即時傳輸和遠(yuǎn)程診斷將是未來發(fā)展的一個重要方向。這樣也更有利于醫(yī)療資源共享。(4)采集和存儲數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建立國際上統(tǒng)一的生理信息資料傳輸標(biāo)準(zhǔn)，使采用不同類型隨身監(jiān)測設(shè)備采集的生理信息能夠相互傳輸和交流，現(xiàn)在最常用和普及最廣的心電數(shù)據(jù)庫是MIT-BIH標(biāo)準(zhǔn)心電信號數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的建立有利于資源的共享和信息交流。七、結(jié)束語本文提出了

20、便攜式人體運動狀態(tài)信號采集的解決方案，實現(xiàn)了基于云的人體運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，它可以完成體溫。血氧飽和度的測量。實踐表明，通過便攜式檢測設(shè)備的應(yīng)用，可大大減少因為體檢所花費的時間、金錢，極大地提高了醫(yī)療設(shè)備的普及性、綜合性，對疫病的預(yù)防以及醫(yī)療檢測儀器的發(fā)展具有重要意義。但是由于時間和人員因素，我們的設(shè)計只結(jié)合了兩種生理信號的檢測，今后，我們將結(jié)合現(xiàn)代發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)合測量更多人運動體狀態(tài)生理參數(shù)如血糖蛋白、汗液等的醫(yī)療檢測設(shè)備，相信基于云的人體運動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在下列方面擁有廣泛的應(yīng)用前景：1、家庭醫(yī)療檢測儀；2、運動員的貼身“醫(yī)生”。 參考文獻(xiàn)1 唐笑年.便攜式多功能心率監(jiān)測儀C. 吉林大

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22、0.附錄Default.aspx<% Page Language="C#" AutoEventWireup="true" CodeFile="Default.aspx.cs" Inherits="Default" %><!DOCTYPE html><html xmlns="/1999/xhtml"> <head id="Head1" runat="server"> <ti

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