智能健康监护系统的设计

1 智能健康监护系统总体方案设计

1.1 设计思路与功能分析

智能健康监护系统致力于达成对人体关键生理参数予以实时且精准的监测这一目标，并且凭借有效的数据传输以及处理手段，为用户给出高效的健康保养办法。该系统秉持模块化设计的理念来构建，大体上是由数据采集模块、微控制器模块以及数据接收与显示模块所构成的，各个模块彼此配合协作，一道来完成监测方面的相关任务。

1.2 系统架构和模块选型比对

1.2.1 系统架构

该系统是由心率血氧传感器、体温传感器以及显示屏共同构成的，体温传感器主要承担着人体体温测量方面的工作，凭借它所具备的非接触式红外测量这一特性，能够较为迅速并且精准地采集到手指表面的体温数据。心率血氧传感器则能够通过对手指表面的红光和红外光收集然后技算转化心率以及血氧饱和度数值，进而为整个系统给予相应的生理参数方面的信息。显示模块能将传感器采集到的数据显示出来，供用户查看和管理自己的健康数据。

1.2.2 模块选型比对

系统所用器件选型选择 MAX30100 和 JX90614 的主要原因是因为两款器件在性能、集成度和场景适配性上形成互补，可构建高可靠性、高精度的医疗或工业监测系统，同时平衡成本与功能需求。

2 智能健康监护系统的硬件设计

2.1MAX30100 传感器电路

MAX30100 有两个 LED，一个发射红光，另一个发射红外光。其主要功能原理：它读取两个光源的吸收电平，并将它们存储在可通过 I2C 读取的缓冲区中。芯片规定的 VDD 工作电压必须在 2.2V 以内，同时为兼顾低功耗设计，此模块电路设计使用 1.8V 稳压将 VDD 脚电压限定在 1.8V。SCL/SDA/INT 脚通过上拉电阻钳制在 1.8V 的 VDD 高电平，用于和 1.8V 电压工作的主控之间进行 IIC 传输。因此，若要和 arduinoUNO 等工作电压高于 18V 的主板之间进行通讯，需要自行在 SCL/SDA/INT 脚和主板的 VDD 间接上拉电阻，以保证通信质量。

2.2JX90614 体温传感器电路

JX90614 是一款非接触式红外测温传感器模块，它在同一TO-39 封装内整合了红外热电堆感应器与一款定制的信号调节芯片。JX90614 在信号调节芯片中集成了低噪声仪表放大器PGA、24bit-△ADC 以及校准 DSP 算法等，从而实现高精度温度测量。JX90614 应用了 I2C 和 PWM 两种数字输出方式，出厂设定为 12C。在无特殊设定情况下，11-bitPWM 输出可测量-70^～380 ℃温度范围，解析度为 0.22^∘C 。用户可通过更改 EEPROM 中两个地址的内容从而自行设置可测量温度范围，并且此操作不会影响传感器出厂校准设置。

2.3 显示模块

ST7735S 是一款用于 262K 色图形 TFT-LCD 的单片控制器/驱动器。该芯片包含 396 条源极线驱动电路和 162 条栅极线驱动电路，可直接连接外部微处理器，支持串行外设接口（SPI）及 8 位/9 位/16 位/18 位并行接口。其片内显示数据 RAM 容量为 132×162×18 位，可在无需外部操作时钟的情况下执行显存读写操作，从而最大限度降低功耗。此外，由于集成了驱动液晶所需的电源电路，该芯片能以较少外围元件构建显示系统。

3 智能健康系统系统的软件设计

3.1 系统的总程序设计

系统软件采用模块化设计，主要包括数据采集程序、数据处理程序、无线传输程序和中断服务程序等。系统通上电后，首先对各部分进行初始化，然后进入主循环，在主循环中不断查询传感器是否有采集到人体温度、心率、和血氧饱和度。若有中断信号，则读取 JX90614 和 MAX30100 采集到的数据，并进行处理和分析。最后，通过 ST7735 模块将数据显示出来。

3.2 系统的子程序设计

在 MAX30100 传感器的的程序设计中，首先需通过 I²C 总线对设备寄存器组进行初始化配置，而模式控制寄存器中要设置多模工作状态，通过采样率配置寄存器选择 50-3200Hz 采样频率，并在脉冲控制寄存器中设定红光与红外光的驱动电流参数。在完成寄存器组配置后，需激活传感器的光学测量单元，并同步触发光电二极管接收通道进行光学信号采集。当 MAX30100 完成（PPG）信号采集后，其内置的中断控制器将触发INT 引脚产生下降沿中断信号，该信号通过 STM32 微控制器的外部中断输入通道触发中断服务（ISR）。在中断处理程序中，需通过 DMA 传输机制从 FIFO 寄存器组批量读取红光与红外光双通道的原始 ADC 数据，随后执行数据预处理流程，最终将时域 PPG 波形数据缓存至环形缓冲区。

JX90614 红外温度传感器的人体手指温度测量程序设计是通过I2C 通信协议与传感器交互，首先向设备地址 0x5A 发送 0x07 寄存器指令以请求目标温度数据，然后采用保持连接（RepeatedStart）模式连续执行写地址和读数据操作。在接收的16 位原始数据由高低字节按小端格式组合后，通过公式（温度值 原始数据 ×0.02-273.15 ）转换为摄氏度。实际部署时建议增加环境温度补偿算法及CRC 校验机制，同时要控制传感器与手指保持 1-3cm 最佳测距从而保障精度。

ST7735 是通过 SPI 通信协议实现 ST7735 系列 TFT 液晶屏的图形化人机交互界面的，它的主控芯片通过MOSI（PB5）、SCK（PB3）引脚传输图像数据，片选与数据/命令选择引脚完成设备控制。在系统初始化阶段需要做的是显存清除、色彩模式配置以及显示方向设定，屏幕测试中要包含矩形框绘制、圆形填充及多字号文本混合排版才能进一步确定屏幕的显示没有问题。实际部署时需要注意不同型号的显示屏的初始化参数不同，例如不同的尺寸它所能显示的内容量不同，而坐标的起点也不一样。

4 总结

这篇文章设计并做出了一种借助 JX90614 以及 MAX30100 来构建的智能健康监护系统。该系统具备实时且精准地对人体的体温、心率还有血氧饱和度等这类生理参数加以监测的能力，并且能够凭借 ST7735 把相关数据显示出来，如此一来，便利于用户在任何时间、任何地点去查看以及管理自身的健康数据。此系统运用的是模块化设计方式，其硬件方面所耗费的成本比较低，而软件所具备的功能却相当多，所以它有着颇高的性价比以及很强的实用性。在未来的日子里，还可以更进一步地去完善该系统的各项功能，提升该系统的应用价值以及其所能够产生的社会效益。

参考文献

[1]马丽媛，吴亚哲，陈伟伟.《中国心血管病报告 2018⟩ 要点介绍[J].中华高血压杂志，2019（8）：712-716.

[2]张海利.论人口老龄化对我国养老保险的影响与对策[J].现代商业，2020（28）：103-104.

[3]李金桦.基于移动物联网的动态心电实时监测､管理和服务系统[D].浙江大学，2016.