腕带结题论文

1、 基于物联网的云运动状态监测系统摘要：随着人民生活水平的提高，生活节奏的加快，人们对生活质量的要求也越来越高，故将现代极度发达的各种基于测量技术、传感技术、通信技术和电子技术等和医学领域结合起来，利用物联网通信技术已经是刻不容缓。本设计则可以准确地测量出人体的血氧饱和度和体温，通过各种传感器将人体生理信号采集储存，并通过传输线路导入单片机进行处理，然后以数据、图形等形式显示出来，将抽象的东西形象化，以便人们参考,除此外该系统检测参数多，体积小巧、携带方便，即使在室外，也可以定时、连续、长时间地检测人体的重要生理参数，并利用物联网的通信手段，将检测到的信息发送到医护人员的接收端，它在保障病人的生

2、命安全方面无疑具有重要的临床使用价值。本论文主要介绍了该系统的设计方法与思想，并对本课题中涉及的关键技术进行了探讨，详细论述了该系统的设计原理及软、硬件设计要点。关键词： 物联网 便携式 生理信号 实时监测 一、 项目意义当今社会人们越来越关注自己的身体健康，尤其是当下各种疾病来势汹汹的时代。人体运动各方面的生理指标可以时时刻刻反映出人体的健康状态。对于这种情况，国际上各种用来监测人体各项指标的医疗设备层出不穷，各个医疗器械公司都在纷纷研制更现代化的设备。因此，为了弥补现有医疗设备的不足，使病人受到更多的益处，本项目将研制更为方便、实用的人体运动状态康监测系统。人体运动的健康状态可以由人体的体

3、温、血氧饱和度等反映出来，我们只需将人体的这些参数与健康人体信息参数比较就可以知道此人是健康。而现在要做出人体全方位的生理参数必须要去医院用专用的大型设备测量，这样会给人们带来很多的不便，每个人不会动不动就去医院做各方面的检查，这样不仅病人花费大，而且会占用医院大量的资源，会对其他急需做检查的病人产生不便，所以我们需要一款具备实时监测人体运动状态、采集记录相关数据并分析数据的设备，这种设备体积小，可以让人们在任何地方进行测量，简单、易于操作。此设备具备两方面的分析功能，即：1、将采集来的信息经过单片机等一系列的记录（储存）、处理并且分析后给出人们初步的建议；2、将这些储存的数据发送至社区医院或

4、者大型医院的医生，由医生用计算机接收、显示出此人的各项参数并且加以分析，将诊断结果和建议传送回本人，以便于其做出相应的措施。本系统可以实现人们人手一个，不用再频繁的去往医院检查，既克服了传统医疗器械的体积庞大，操作复杂的缺点，使人们在家里就可以实时知道自己的身体状况和医生的建议，又为人们节约了金钱和时间，同时对人体健康做出巨大的贡献。二、系统总体方案设计本设计以血氧饱和度模块、体温模块为核心，扩展了USB接口、大容量的数据储存器、液晶显示芯片及控制器等外观设备。Get方式提交参数 系统总体框图如图1一1所示:它完成生理信号的采集、数据处理、上位机的通信以及利用物联网的信息发送。医生采集设备Ar

5、duino手机WEB端和社区医院（服务器）血氧饱和蓝牙发送体温信号 将信息反馈给人体 图1 系统总体框图血氧饱和度探头和热敏电阻采集用户的血氧饱和度和体温信号，然后经过放大、滤波等电路，最后通过Arduino对信号进行处理，由蓝牙将信号发送至用户的Android手机上并进行绘图；最后用户通过Android使用Get方式提交参数给Web，Web端将体温和血氧饱和度的数据反馈给用户并提交到医院的服务器和后台数据库中。三、 实验原理1. 血氧饱和度的测量1.1氧饱和度监测的意义 人体机体内细胞中的许多物质都是靠生物氧化过程生成的，实时监护人体组织中氧的代谢及运输过程，可以间接获得细胞的代谢状态，血氧

6、饱和度还是睡眠分析的一个重要参数，氧气供给的缺乏将直接影响细胞的新陈代谢，许多临床疾病都会造成氧气供给的缺乏。因此，对动脉血氧饱和度的实时监测在临床上十分必要。 1.2血氧饱和浓度监测原理 临床上多用功能氧饱和度来反映血液中氧含量的变化，无损伤血氧饱和度测量是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化的原理来进行测量的。当用两种特定波长的恒定光1、2照射手指时，如果适当选择入射光波长1(Hb02、Hb在此处具有等吸收特性，即约805nm)，运用Lambert-Bear定律并根据氧饱和度的定义可推出动脉血氧饱和度的近似公式为： Sa02=a+bQ    式中：Q为两种

7、波长(Hb02、Hb)的吸光度变化之比a、b为常数，与仪器传感器结构、测量条件有关。无创血氧饱和度的检测原理是根据Beer-Lambert定律，引出分光光度法进行物质定性分析和定量分析。 根据朗伯-比尔定律可以得出单色光透过某均匀溶液后透射光强I与溶液诸参数的关系是：式中：E表示该溶液对某特定单色光的吸光系数；C表示该溶液的浓度；D表示光透过溶液所经光程长度。若定义吸光度A为：A=ln(I0I)=ECD (2) 假如均匀组织为血管，当动脉血脉动时，D将有一个D的改变，此时透射光I也将有一个I的改变，此时吸光度A的改变A为：A=lnI(I-I)=EC×D (3) 根据医学定义，由于含氧

8、血红蛋白和还原血红蛋白处于同一血液溶液中，他们的含量之比即为浓度之比，这样血氧饱和度为：先定义W如下：式中：W即为该色光光电信号的交直流成份之比，由以上表达式再根据数学变换，当有两路光源透射过手指后最终可以推出血氧饱和度的计算表达式为：式中：Ei表示不同物质的吸光系数，对于一定波长和一定组织成分而言，Ei是确定的常量。将上式写为如下形式，并展开成二阶泰勒级数为：只要测量出色光光电信号的交直流成份之比WW与标准血氧计测量的血氧饱和度，利用最小二乘法二次曲线拟合技术，确定常数A，B，C就可以得到血氧饱和度经验公式。2. 体温检测模块2.1 体温的生理意义 人体温度相对恒定是维持人体正常生命 活动的

9、重要条件之一，如体温高于41度或低于25度时将严重影响各系统（特别是神经系统）的机能活动，甚至危害生命。机体的产热和散热，是受神经中枢调节的，很多疾病都可使体温正常调节机能发生障碍而使体温发生变化。临床上对病人检查体温，观察其变化对诊断疾病或判断某些疾病的预后有重要意义。2.2 热敏电阻简介我们采用热敏电阻作为温度传感器，热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电

10、阻值越低，这里我们采用的是负温度系数热敏电阻器（NTC）。它们同属于半导体器件。热敏电阻的主要特点是：1.灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；2.工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；3.体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；4.使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；5.易加工成复杂的形状，可大批量生产；6.稳定性好、过载能力强。2.3 NTC型热敏电阻测量人体体温的原理 NTC（Negative Temperature C

11、oeffiCient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料 NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：Rt = RT *EXP(Bn*（1/T-1/T0) 式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数

12、陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的 NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面它的测量范围一般为-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200环境中作测温用RT为NTC热敏电阻器；R2和R3是电桥平衡电阻；R1为起始电阻；R4为满刻度电阻，校验表头，也称校验电阻；R7、R8和W为分压电阻，为电桥提供一个稳定的直流电源R6与表头（微安表）串联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用R5与表头并联，起保护作用在不平衡电桥臂（即R1、RT）接入一只热敏元件RT作温度传感探头由于热敏电阻器的阻值随温度的变化而变化，因而使接在电桥对角线间的

13、表头指示也相应变化这就是热敏电阻器温度计的工作原理三、系统各模块简介1.硬件部分1.1中央主芯片本系统控模块采用Arduino控制器。Arduino单片机拥有开放源代码的电路图设计，具有独立的模拟、数字接口，自带十位的AD模数转换，容易掌握运用，程序开发接口免费下载， 使用低价格的微处理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入，并且可以使用现有的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运行，并与软件进行交互。1.2血氧饱和度监测模块 1.2.1血氧饱和浓度监测硬件设计该系统的基本工作

14、过程是由单片机产生的时序控制信号，交替驱动发光二极管分时照射手指，将光电接收器输出的信号通过放大滤波处理送入单片机进行数据处理并计算出血氧饱和浓度。血氧饱和浓度检测模块系统框图如下图2 血氧饱和浓度检测模块系统框图1.3 体温监测模块1.3.1 体温监测部分硬件设计体温测量模块最基本的功能是测量人体的体温，并将测得的体温值传输到手机或PC上，并可以对数据进行进一步处理。该系统由Arduino单片机、热敏电阻和蓝牙等部分组成，完成体温的测量和传输。该系统部分设计原理不要基于热敏电阻对于温度的敏感性，即其电阻值随温度的变化而变化，我们通过多次测量在不同温度下热敏电阻的不同阻值，得到热敏电阻的阻值与

15、温度之间的函数关系，如图所示：图3 热敏电阻特性由图可知，我们采用的是NTC型热敏电阻，电阻阻值随温度升高而降低，并且函数关系近似为一条直线。对于体温的测量电路就是由此设计的。2.软件部分Default.aspx为输入数据页面代码Default.aspx.cs后台代码Accept.aspx.cs接受并显示数据代码Default.aspx和Accept.aspx.cs详细代码见附录四、数据处理与显示1.结果展示 用户使用Android手机由Get方式提交参数给Web，显示在如下页面。图4 数据接收Web端界面 Web端接受到用户数据之后通过“GET提交数据”按钮将接收到的用户生理状态参数提交到后

16、台数据库存储并同时提交到医院的服务器。图5 数据显示WEB端2.实现的功能1、采集到人体的体温、血氧饱和度等信息，由蓝牙将信号发送至用户的Android手机上并进行绘图，被测者可以及时、清楚地获得自身生理信息；2、采集到的信息通过Android使用Get方式提交参数给Web，Web端将体温和血氧饱和度的数据反馈给用户并提交到医院的服务器和后台数据库中，可实现医生及时诊断并给出相应建议； 3、操作简便，适合大多数人群使用；4、集合多生理参数同时进行采集，使被测者获得更多跟自己有关的生理参数。五、创新点 1.测量准确我们所研究的基于云的人体运动状态监测系统可以准确地测量出人体的血样饱和度和体温信息

17、。2.智能化，适用于各种人群本系统是通过各种传感器将人体生理信号采集储存，由传输线路导入单片机进行分析处理，然后显示出来，将抽象的东西形象化，以便人们参考，操作不需要专门培训，所以适用于各种人群。3.使用的地点不受限制体积小，方便携带，而且蓝牙技术是一种短距离的无线传输协议，使用的是在任何领域都不受限制的短波频段，能够便利的在一个较小范围内固定设备或移动设备之间传输数据，所以使用时不受地地域和时间的限制，人们可以随时随地的检测自身的生理信号。4、基于云的Web端手机客户端可以与基于云的Web端和医院服务器相连接；在线提交数据，并且可以进行数据的存储；医生可以通过医院服务器了解用户生理状况，对数

18、据进行再分析，并及时反馈给用户，方便快捷并且准确度高。六、前景展望随着集成电路技术、计算机和网络技术的发展，医疗电子仪器的发展是非常迅速的。虽然生理监测技术很早就出现了，但随着时代的发展，各种新方法和手段开始引入到人体运动状态监测中来，人体运动状态监测系统已不满足于简单的信号采集和显示。主要的研究和发展趋势包括以下几个方面。(1)生理信号分析自动化从目前国内外的相关信息来看，生理信号的分析自动化并没有取得突破性的进展。主要是因为生理信号过于复杂，抗干扰能力差，目前还缺乏一套令人满意的算法，因此在生理信号自动分析领域还需要作大量的研究工作。多种方法交叉分析是目前发展的一个热点，如小波分析，模式识

19、别，神经网络等。(2)小型化 采集同步化随着集成电路技术的发展，随身监测仪器趋于小型化和便携化。如，便携式多参数生理监测系统代表了此发展趋势。(3)网络化随着网络技术的发展，远程医疗和诊断系统也慢慢的开始出现，因此将生理信号监测设备与互联网相连以实现人体运动状态的现场采集，即时传输和远程诊断将是未来发展的一个重要方向。这样也更有利于医疗资源共享。(4)采集和存储数据标准化建立国际上统一的生理信息资料传输标准，使采用不同类型随身监测设备采集的生理信息能够相互传输和交流，现在最常用和普及最广的心电数据库是MIT-BIH标准心电信号数据库，数据库的建立有利于资源的共享和信息交流。七、结束语本文提出了

20、便携式人体运动状态信号采集的解决方案，实现了基于云的人体运动状态监测系统，它可以完成体温。血氧饱和度的测量。实践表明，通过便携式检测设备的应用，可大大减少因为体检所花费的时间、金钱，极大地提高了医疗设备的普及性、综合性，对疫病的预防以及医疗检测仪器的发展具有重要意义。但是由于时间和人员因素，我们的设计只结合了两种生理信号的检测，今后，我们将结合现代发达的科学技术，研究结合测量更多人运动体状态生理参数如血糖蛋白、汗液等的医疗检测设备，相信基于云的人体运动状态监测系统在下列方面拥有广泛的应用前景：1、家庭医疗检测仪；2、运动员的贴身“医生”。 参考文献1 唐笑年.便携式多功能心率监测仪C. 吉林大

21、学, 2004,5.2 王雅静.单兵系统生命参数检测技术的研究C. 南京理工大学大学, 2009,5.3 周红标.动态脉率数据采集与脉搏信号处理系统的研究C. 兰州理工大学 大学, 2009,4.4 赵静.基于GPRS的远程心电信号监测装置的研究C. 吉林大学, 2006,11.5 白霄波.基于单片机的便携式心电监测系统的研究C. 西南交通大学, 2005,03.6 尹占芳.基于CDMA的远程移动医疗C. 山东科技大学, 2003,05.7 付大伟.便携式体温检测仪C. 吉林大学, 2006,09.8 李广武.基于USB2.0协议的人体生理信号采集系统的设计C. 哈尔滨工程 大学,2004,1

22、0.附录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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