摘 要： 設計與實現了一種基于STM32芯片、用于居家環境下的健康一體機控制系統。該系統由電源管理模塊、藍牙模塊、SD卡模塊、OLED顯示模塊等幾部分組成，可以用于控制與處理多生理參數模塊采集到的心電、血氧飽和濃度、血壓、脈搏率、呼吸率、體溫等人體生理信息數據，并且可以對數據解析進行OLED屏顯示以及通過藍牙或串口發送給外界顯示設備進行顯示。系統利用模塊化設計理念，可以適應不同多生理參數采集模塊，具有多功能、擴展性能好、可移植性高等特點。同時，系統利用OLED屏進行顯示，區別于傳統的醫用大型設備，有效地減小了設備體積，降低了設備使用功耗，便于居家環境下使用。
關鍵詞： 多參數; STM32; 數據協議; OLED
人體各項生理參數反映著人體健康方面的信息，近年來，人們的醫療觀念逐漸從傳統的疾病治療向早期預防和保健護理方面轉變，希望能夠在家中方便及時地了解病人、老年人和兒童等家庭成員的身體狀況，甚至希望在無人看管的情況下能夠隨時監護病人的健康狀態，實現對亞健康、潛伏性疾病人群的常見疾病、突發疾病的早期發現和預測[1]。因此，一款便于攜帶、操作簡便、適宜家庭用戶使用的并且可以用于健康信息監測的智能化、個性化的健康采集和管理終端——基于STM32控制系統的健康一體機成為了市場的迫切需求。
本控制系統可以控制多生理參數模塊檢測人體的某些重要的生理參數,如心電(ECG)、血氧飽和度(SPO2)、呼吸(RESP)、無創血壓(NBP(收縮壓、平均壓和舒張壓))、體溫(Temp)以及脈搏(Pulse),能夠在居家環境下通過OLED屏幕實時顯示測量結果，通過電視機頂盒與電視機連接實時顯示測量結果，也可以連接電腦、智能手持終端顯示測量結果。該系統通過有線和無線傳輸方式實現與計算機通信，可以把測量到的數據發送到數據庫中，同時也可以儲存到Micro SD卡中，以便日后醫生診斷用戶病情時作為一定的參考[2]。由控制系統組成的健康一體機的使用環境為居家環境，如家中客廳的沙發茶幾以及臥室中的床頭柜均可以擺放該設備。對于家庭用戶來說,該設備連接方式簡單，便于操作且易于擺放，從而區別于傳統的參數單一、功能簡單、體積較大而又僅限于在醫院使用的大型醫用設備[3]。
1 控制系統的總體設計
健康一體機控制系統以STM32芯片為控制核心，由電源管理模塊、藍牙模塊、RS232通信模塊、SD卡模塊、OLED顯示模塊等組成,其整體架構如圖1所示。控制系統與外部顯示設備的連接分為有線和無線方式，有線方式下使用RS232串口，無線方式下使用藍牙方式。數據實時顯示分為獨立屏和外接設備顯示，獨立顯示采用了OLED屏，外界顯示為PC、電視機連接機頂盒、智能手持終端等方式。
2 控制系統的硬件電路設計與軟件設計
2.1芯片選擇
本系統選用意法半導體STM32F103VCT6芯片為主控芯片，該芯片以ARM Cortex-M3為內核，是32 bit芯片，時鐘頻率為72 MHz，從而區別于功能簡單的8 bit單片機。專門應用于對性能要求較高、成本要求較低以及低功耗的場合,是一款在醫療設備里比較常用的芯片[4]。
2.2 控制系統的硬件設計
本系統通過控制與接收多生理參數采集模塊采集到的生理信號數據，通過串行通信2口傳送到主控芯片，主控芯片對數據進行解析，然后通過控制OLED顯示屏進行測量結果顯示，或通過有線、無線方式傳送到顯示終端。同時，將采集到的數據通過SD卡電路部分保存到Micro SD卡中，方便用戶數據的拷貝和查看。模塊程序下載同時設計JTAG下載和串口下載兩種方式，通過BOOT位進行設定。模塊裝有3 V備份電池，為RTC時鐘提供備份電源，能保障系統斷電后時鐘數據恢復正常。圖2所示為控制及數據處理模塊的部分硬件電路。
控制系統采用12 V直流電源，通過電源管理模塊控制繼電器吸合，同時ASM1117-5、ASM1117-3.3兩款芯片可以提供12 V、5 V、3.3 V直流電壓。其中，12 V用于多生理參數采集模塊和OLED顯示模塊，5 V用于RS232串口模塊，3.3 V電源供給主控芯片、藍牙模塊以及Micro SD卡模塊。同時,控制系統具備12 V鋰電池充電電路,可以在不使用外界電源情況下單獨使用鋰電池為控制系統供電。電源部分硬件電路如圖3所示。
2.3 控制系統軟件設計
系統軟件部分是在KEIL MDK for ARM 開發平臺下進行開發和調試的。該軟件是由德國KEIL公司開發，針對各種嵌入式應用推出的。
系統軟件流程如圖4所示。首先控制系統通過時鐘配置以及串口1、串口2、OLED屏和GPIO口等初始化，開啟系統中斷進行中斷檢測，然后控制多生理參數模塊通過體溫探頭、血壓袖帶、血氧探頭、心電導聯線分別對體溫、血壓、血氧、心電等生理信號進行采集，再通過多參數生理采集板上的相應模塊對采集到的信號進行分析和處理[5]。控制系統通過串口2采集到生理信號數據，當檢測到串口發送過來數據，中斷響應，依據數據協議進行數據解析，把解析出來的生理參數數據通過OLED屏以每5 s一次的切屏顯示，同時把測得的數據發送到Micro SD卡當中進行存儲。同時，通過UART1把所接收到的數據發送到RS232串口或藍牙模塊，進而通過有線或無線數據傳輸,把數據發送給外部設備進行顯示。
2.4 串口數據包格式
數據包由1 B包類型ID字節、N(N≤8)B數據+1 B校驗和構成。包的最大長度為10 B(包含包類型ID和校驗和)，數據的最大長度為8 B。數據由數據頭和N-1個數據構成。數據包格式如圖5所示。
包類型ID的最高位Bit7為0，數據和校驗和的最高位Bit7為1。所有包的數據頭依次包含數據字節的最高位，如：數據頭的Bit0為數據1的Bit7，數據頭的Bit1為數據2的Bit7。
2.5 控制系統的OLED顯示部分設計
該控制系統使用1.54英寸128×64像素的OLED屏進行顯示，區別于傳統的LCD液晶屏，OLED顯示屏幕可視角度大，顯示清晰，并且能夠顯著節省電能，降低了系統功耗。鑒于顯示內容多，且為了便于查看測量結果，測量結果采用分屏間隔顯示設計。機器開啟時屏幕顯示時間日期等信息，便于觀察測量時間。測得具體參數時便切換到對應屏幕。圖6為OLED屏幕顯示的一組測試數據信息。
3 控制系統性能測試及總結
根據以上控制系統的設計方案制作了健康一體機樣機。對樣機性能進行測試分析，使用醫療器械檢測部門常用的模擬設備(Fluke多生理參數模擬儀、Fluke血氧模擬儀、BP-2L血壓模擬儀等)對樣機參數進行測試對比，得到如圖7、表1、表2所示的數據。
對樣機功能經過各項指標測試，結果顯示，該樣機穩定性良好，測量數據符合標準。此外，對藍牙連接方式和RS232連接方式分別接外部顯示設備測試，通過與OLED顯示結果對比發現，其發送數據準確，外部顯示設備穩定。因此，基于控制系統設計的健康一體機工作性能穩定，符合預期設計要求。該樣機對于家庭用戶來說設備連接方式簡單，便于操作，而且易于擺放，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 時明, 劉艷.多參數監護儀的發展[J].品牌與標準化,2012(6):14-15.
[2] Liu Bin, Luo Senlin, Pan Linmin, et al. New method of judging sub-health state based on rough sets and BP neural network[C]. 2010 International Conference on Biomedical Engineering and Computer Science, ICBECS 2010, Wuhan,2010.
[3] 李羅,文軍,何為.基于嵌入式系統的便攜式多參數監護儀的研究[J]. 電子技術應用, 2009,35(11):71-74,78.
[4] 王宏宇.家庭自測血壓和動態血壓的應用[J]. 心血管病學進展, 2011,32(02):158-159.
[5] SROVNAL V, PENHAKER M. Health maintenance embedded systems in home care applications[C]. 2nd International Conference on Systems, ICONS 2007, Martinique, 2007.