當(dāng)我們談?wù)撊梭w的主要生命體征時(shí)，我們需要了解四個(gè)主要參數(shù)，它們是體溫，心率，呼吸頻率，血壓，由于COVID，氧飽和度已成為我們需要了解的主要參數(shù)。在本教程中，我們將制作一個(gè)簡(jiǎn)單的Arduino Nano 33基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，具有多個(gè)傳感器。該裝置可以測(cè)量人體的一些重要參數(shù)。該設(shè)備就像你在icu中看到的DIY多參數(shù)監(jiān)視器，簡(jiǎn)單得多，由廉價(jià)的傳感器制成，不適合實(shí)際醫(yī)療用途。我們將為此目的使用新的Arduino Nano 33 IOT，我們將嘗試使這個(gè)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單。

在我們之前的文章中，我們還構(gòu)建了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的樹莓派心跳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如果你感興趣，你也可以看看。在本文中，我們將構(gòu)建一個(gè)完整的基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以測(cè)量和監(jiān)測(cè)人體的所有重要參數(shù)。那么，我們開始吧。

我們的遠(yuǎn)程病人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的組件

該項(xiàng)目所需的組件非常簡(jiǎn)單，可以在當(dāng)?shù)氐膼酆蒙痰暾业健Ｒ褂梦锫?lián)網(wǎng)構(gòu)建此特定的健康監(jiān)控系統(tǒng)，您將需要以下組件。

?Arduino Nano 33 IOT

?MLX90614(數(shù)字非接觸式紅外測(cè)溫儀)

?AD8232(心率監(jiān)測(cè)器)

?MAX30100脈搏血氧儀和心率傳感器

?音頻(可選)

?Perfboard

?跳線。

Arduino Nano 33 IoT

Arduino Nano 33 IoT是一款相對(duì)較新的Arduino板，我們會(huì)稍微介紹一下。它是對(duì)原始Arduino Nano的直接升級(jí)，目前可以在Arduino Store上獲得。它比原始的Arduino Nano便宜，但Nano的克隆價(jià)格要便宜得多。那么，當(dāng)你可以買到上一代的克隆板時(shí)，你應(yīng)該買這款新板嗎?這些升級(jí)值得嗎?

老實(shí)說，這取決于你的要求。如果你想在一個(gè)緊湊的外形中使用Wi-Fi和BT傳感器作為原型，建議你這樣做。從這個(gè)角度來看，單獨(dú)購(gòu)買所有物品并連接它們可能會(huì)比Nano 33物聯(lián)網(wǎng)花費(fèi)更多的時(shí)間和金錢。

那么，新主板有哪些升級(jí)呢?很多!最初的Nano沒有傳感器，沒有連接，什么都沒有。相比之下，升級(jí)后的Nano 33 IoT在相同的外形下包含了許多功能和功能。

?主板的主處理器是低功耗Arm Cortex-M0 32位SAMD21。

?Wi-Fi 2.4G和藍(lán)牙連接由U-Blox NINA-W102低功耗芯片組提供。

?Wi-Fi / BT模塊天線采用金屬配件的形式，通過一滴熱敏膠防止振動(dòng)。

?微芯片ATECC608A加密芯片，保證通信安全，6軸IMU LSM6DS3

MAX30100 -脈搏血氧儀和心率傳感器

MAX30100也是一個(gè)基于Microchip的傳感器模塊。它使用一種叫做PhotoPlethysmography的概念來測(cè)量生命數(shù)據(jù)，作為輸出，它給出了一個(gè)PPG圖。它的工作原理如下圖所示。

正如你所看到的，紅外/紅/綠LED在被攝者的手指上發(fā)光。根據(jù)心跳、血液中的氧氣擴(kuò)散和其他一些參數(shù)，入射波的吸收值或速率會(huì)發(fā)生變化。通過識(shí)別這些變化，我們可以確定氧氣水平。

然后由接收器測(cè)量傳輸?shù)牟ǎ邮掌鞲鶕?jù)接收到的光量給出電壓信號(hào)。當(dāng)光穿過生物組織時(shí)，它會(huì)被骨骼、皮膚色素以及靜脈血和動(dòng)脈血吸收。由于血液對(duì)光的吸收比周圍組織更強(qiáng)，因此PPG傳感器可以將血流的變化檢測(cè)為光強(qiáng)度的變化。

PPG的電壓信號(hào)與流經(jīng)血管的血流量成正比。使用這種方法，即使血容量的微小變化也可以被檢測(cè)到，盡管它不能用于量化血的量。PPG信號(hào)有幾個(gè)組成部分，包括與心臟活動(dòng)相關(guān)的動(dòng)脈血容量變化，調(diào)節(jié)PPG信號(hào)的靜脈血容量變化，顯示組織光學(xué)特性的直流成分，以及體內(nèi)細(xì)微的能量變化。

MAX30100傳感器具有紅外和紅色LED。通常，測(cè)量心率和SPO2參數(shù)，我們將嘗試測(cè)量一個(gè)額外的參數(shù)- HRV或心率變異性。

MLX90614 -體溫傳感器

MLX90614體溫傳感器來自Melexis，它使用紅外技術(shù)來測(cè)量人的體溫。通常被稱為熱像儀，這種傳感器類似于單像素?zé)嵯駜x，但具有小于3厘米的非常小的范圍。此外，與其他紅外設(shè)備一樣，傳感器讀取誤差隨著受試者與傳感器之間的距離而增加。傳感器的圖像如下所示。

AD8232心電圖傳感器

AD8232是一種簡(jiǎn)單的心率傳感器，可以作為心電圖繪制圖表。ECG是心電圖的縮寫。該傳感器將其信號(hào)輸出為模擬信號(hào)。3.5mm插孔用于生物醫(yī)學(xué)墊連接。

模擬MIC模塊

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的傳感器，記錄音頻幅度和輸出他們作為模擬變化。這在測(cè)量呼吸信號(hào)時(shí)很有用，但它需要大量的信號(hào)處理和濾波。因此，它將在單獨(dú)的博客中進(jìn)行介紹。注意，有很多模塊不具有模擬輸出(通常稱為拍傳感器)。它們可以識(shí)別特定振幅以上的聲音，但超過這個(gè)振幅就沒有用了。

128X64 OLED顯示屏

我們將在這個(gè)項(xiàng)目中使用1.3英寸的OLED I2C顯示器。市場(chǎng)上有很多通用的OLED，所以你的OLED可能和我的有點(diǎn)不同。我們將使用的Uglib2庫(kù)幾乎支持您遇到的所有顯示器，因此將任何OLED顯示器與此庫(kù)進(jìn)行接口非常簡(jiǎn)單。

遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)電路圖

構(gòu)建遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整示意圖如下所示。

上面的原理圖顯示了與Arduino Nano 33 IoT的所有必要連接。使用的兩種類型的傳感器是模擬(麥克風(fēng)，OLED顯示器和AD8232)和I2C (mlx90614和MAX3010X)。使用的Arduino Nano 33物聯(lián)網(wǎng)引腳如下：

A0 - ECG模塊AD8232的模擬輸出

A1 -麥克風(fēng)模塊的模擬輸出

A4 - sda

A5 - SCL

在使用傳感器和這個(gè)板時(shí)，您需要記住一些事情。上述原理圖中的工作電壓為3V3，因?yàn)镋CG模塊工作在3V3，我們不希望進(jìn)行不必要的電壓轉(zhuǎn)換。上述原理圖中使用的電阻器為4.7k。它們應(yīng)該足以滿足3V3的工作電壓。我們不會(huì)使用額外的引腳LO+， LO- or來減少不必要的復(fù)雜性，因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)有許多傳感器一起工作。您可以參考SparkFun ECG博客了解其使用方法。MLX90614可作為傳感器或傳感器模塊使用。如果您使用裸傳感器，您將不得不拉起SCL和SDA線，如原理圖所示。此外，請(qǐng)檢查您正在購(gòu)買的MLX90614傳感器系列，因?yàn)楦鶕?jù)功率輸入，類型等，有許多變體可供選擇，如下所示。

根據(jù)原理圖組裝板后，板看起來像下圖。為了方便，我為這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)單的GP板，因?yàn)榻涌谟刑嗟哪K，使用一個(gè)面包板處理多個(gè)項(xiàng)目是很困難的。為您經(jīng)常使用的微控制器提供GP板也很有用，以節(jié)省時(shí)間和不必要的返工，在使用您之前已經(jīng)與之接口的傳感器的項(xiàng)目中。

我建議您放置MLX90614和MAX3010X傳感器，使它們重合，并且您可以同時(shí)用一根手指將它們覆蓋在一起。至于編碼部分，我會(huì)盡量簡(jiǎn)潔的解釋。

測(cè)量和監(jiān)測(cè)生命體征的Arduino代碼

構(gòu)建人體視覺信號(hào)檢測(cè)器的完整代碼如下所示，但在繼續(xù)編寫代碼之前，我們需要安裝所需的庫(kù)，您可以在Arduino板管理器中找到幾乎所有必要的庫(kù)，我們將從那里安裝庫(kù)，我們需要安裝以下庫(kù)。

Arduino SAMD板

Arduino_LSM6DS3或Sparkfun LSM6DS3 Breakout(供高級(jí)使用)

Arduino WifiNINA

Arduino祝福

現(xiàn)在讓我們安裝庫(kù)。

除此之外，我們還使用了OLED模塊。所以，我們還需要安裝OLED庫(kù)。脈搏血氧計(jì)傳感器計(jì)算SPO2，心率和HRV使用的概念稱為PPG或PhotoPlethysmoGraphy，如前所述。MAX3010X庫(kù)可以使用回調(diào)函數(shù)識(shí)別反射率的脈沖或變化。該函數(shù)是一個(gè)中斷，每次檢測(cè)到心跳時(shí)都會(huì)調(diào)用該中斷。存儲(chǔ)連續(xù)兩次心跳之間的時(shí)間間隔來計(jì)算HRV參數(shù)。每個(gè)REPORTING_PERIOD_MS間隔都會(huì)計(jì)算心率。由于手指用于測(cè)量體溫，我們對(duì)MLX90614傳感器測(cè)量的值進(jìn)行了補(bǔ)償。

設(shè)置功能:

循環(huán)功能:

循環(huán)函數(shù)連續(xù)獲取信號(hào)變量(IR， RED， ECG， mic值)，并定期計(jì)算參數(shù)變量(HR, SPO2， HRV，環(huán)境溫度，對(duì)象溫度)(存儲(chǔ)為REPORTING_PERIOD_MS)。一旦計(jì)算出所有變量和信號(hào)值，就會(huì)顯示在OLED上。因?yàn)樽兞縃R和HRV對(duì)時(shí)間非常敏感，并且依賴于在實(shí)際心跳之后調(diào)用心跳中斷函數(shù)的速度，所以我們不能連續(xù)更新顯示。因此，我們?cè)诙ㄆ陂g隔(= DISPLAY_INTERVAL* REPORTING_PERIOD_MS)之后更新它。所有變量和信號(hào)值也以CSV格式串行推送，用于數(shù)據(jù)采集、繪圖和存儲(chǔ)。示例輸出如下所示。遙測(cè)格式：hr， spo2, hrv, object_temp, ambient_temp, ir_signal/100, red_signal/100。

串行繪圖儀的輸出如下所示。顏色鍵顯示在右上角，并按遙測(cè)(hr, spo2, hrv, object_temp, ambient_temp, ir_signal/100, red_signal/100)從左到右的順序顯示。繪制完成后，串行繪圖儀窗口中的數(shù)據(jù)如下圖所示。

這就是我們基于物聯(lián)網(wǎng)的患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理。

本文編譯自iotdesignpro