便攜式生命參數(shù)監(jiān)測儀開源分享

描述

許多人在隔離期間感覺很好，但突然間他們的健康狀況崩潰了，盡管有幫助，他們還是經(jīng)常死去。

脈搏血氧儀能夠幫助受感染的患者，并指示他們何時應(yīng)該盡快到醫(yī)院尋求幫助。

在家中使用脈搏血氧儀，每位患者都可以監(jiān)測自己的健康狀況。這樣一來，每個人都絕對做好了抗擊疾病的準(zhǔn)備。

正常氧飽和度約為 95-98%。吸煙者通常獲得較低的利率。氧氣水平低于 90% 已經(jīng)表明嚴(yán)重的呼吸衰竭，但當(dāng)您的結(jié)果為 92% 或更低時，您應(yīng)該立即去看醫(yī)生。每天的長期脈搏記錄可以提供有關(guān)患者健康狀況的重要信息。例如，連續(xù)的脈搏率監(jiān)測有助于防止突發(fā)心臟病。

這款便攜式生命參數(shù)監(jiān)測儀專用于無癥狀的疑似 COVID-19 疾病患者。

脈搏血氧儀是我們戴在手指上的一個微型設(shè)備，它測量血液氧化水平。通常，感染者的氧氣含量非常低，這是 Covid-19 的特征性癥狀。

該設(shè)備由幾個基本塊組成：

• 能夠記錄心率并確定血液中氧飽和度的生物傳感器
• 用于數(shù)字信號處理的微控制器
• 通信模塊，可通過藍(lán)牙使用無線連接與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信

Mikroelektronika Heart Rate 3 Click Board 被選為生物傳感器。

Heart rate 3 click 是一個 mikroBUS 附加板，其功能由兩個組件決定：一個 OSRAM 的 SFH7050 脈搏血氧飽和度和心率監(jiān)測模塊，以及一個專門用于生物傳感的 Texas Instruments AFE4404（模擬前端）IC。

SFH7050 多芯片封裝包含 3 個 LED 和 1 個光電二極管，通過光柵隔開以防止光學(xué)串?dāng)_。當(dāng)三個 LED 通過手指發(fā)光時，部分光會被脈動的血液吸收。

來自 SFH7050 的模擬信號被轉(zhuǎn)發(fā)到 AFE 芯片，該芯片能夠從反射光的強(qiáng)度中獲得脈沖讀數(shù)。

AFE4404 傳感器使用 i2c 進(jìn)行通信，因此我們需要將 SCL 和 SDA 線從傳感器連接到目標(biāo) MCU。

Heart Rate Click 模塊示意圖如下：

用于數(shù)字信號處理的微控制器應(yīng)具有高效率和低功耗的特點。

該解決方案的理想選擇是 FTDI FT900 微控制器。

FT900 嵌入式微控制器包括：

• 高性能、低功耗 32 位 FT32 核心處理器，運(yùn)行頻率為 100MHz
• 256 kB 高速閃存
• USB2.0主機(jī)控制器
• USB2.0外設(shè)控制器
• 10/100Mbps 以太網(wǎng)控制器
• 實時時鐘
• SPI/I2C/UART接口
• 四個定時器 - SD 主機(jī)控制器
• 10 位 DAC0/1 通道
• 10位ADC1-7通道
• 具有 5V 容差 I/O 單元的通用 I/O 接口

FT900單片機(jī)框圖如圖所示：

步驟 1 編程數(shù)字信號微控制器

FT900 微控制器的程序是用 microC PRO IDE 編寫的。此設(shè)計環(huán)境為這些微控制器提供全面支持。

Microelektronika 為 Heart Rate 3 Click 板提供了完整的庫。您可以在以下位置找到它們：

https://libstock.mikroe.com/projects/view/1908/heart-rate-3-click

該庫包含 AFE4404 傳感器的低級函數(shù)和 FT900 MCU 的硬件抽象層 (HAL)。

因為完全編譯開發(fā)的項目需要付費許可證，所以我們決定將編譯后的版本作為二進(jìn)制文件共享。

Clicker 板有一個內(nèi)置的引導(dǎo)加載程序。您可以使用 Mikroelektronika 提供的軟件對電路板進(jìn)行編程。

開發(fā)的程序使用UART0，參數(shù)如下：

• 波特率：115.200
• 8 個數(shù)據(jù)位
• 無平價
• 1 個停止位
• 硬件流量控制：無

每秒發(fā)送一次帶有心率和血氧飽和度信息的結(jié)果，以分號 (", ") 分隔

串行端口線連接到 GPIO48 (UART0_TXD) 和 GPIO49 (UART0_RXD)。

FT900 微控制器的軟件已作為附件放置。

步驟 2 編程藍(lán)牙微控制器

我們選擇了 Nordic nRF52840 微控制器作為藍(lán)牙連接的通信微控制器。

nRF52840 微控制器用作藍(lán)牙模塊。該 MCU 的唯一任務(wù)是通過藍(lán)牙連接將數(shù)據(jù)從串行端口傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備。

北歐半。提供帶有許多示例和完整文檔的軟件開發(fā)工具包 (SDK)。

必要的代碼可以在以下位置找到：

\examples\ble_peripheral\ble_app_uart

該程序用作對等電話應(yīng)用程序，并通過藍(lán)牙模擬串行端口。

在運(yùn)行程序之前，您必須對板上的 SoftDevice 進(jìn)行編程。

SoftDevice 二進(jìn)制文件位于文件夾中：

\components\softdevice\s140\hex

有幾種方法可以對 SoftDevice 進(jìn)行編程。最好的選擇是使用 nRFgo Studio。

你可以在這里找到這個應(yīng)用程序：

然后您可以使用 S140 SoftDevice 在 nRF52840 上運(yùn)行藍(lán)牙應(yīng)用程序。

該應(yīng)用程序包括一項具有 128 位供應(yīng)商特定 UUID 服務(wù)的服務(wù) (6E400001-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E)。

該服務(wù)公開了兩個特征：一個用于發(fā)送，一個用于接收（從對等方看）。

RX 特性（UUID：6E400002-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E）

對等方可以通過寫入服務(wù)的 RX 特性來向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)在 UART 接口上發(fā)送。

TX 特性（UUID：6E400003-B5A3-F393-E0A9-E50E24DCCA9E）

應(yīng)用程序可以將數(shù)據(jù)作為通知發(fā)送到對等方，并將通過 UART 接收的所有數(shù)據(jù)作為通知發(fā)送。

它使用 nRF52840 板上的兩條串行端口線：

• 接收 P0.8
• TX P0.6

第 3 步 Android 應(yīng)用程序

Android 應(yīng)用程序是用 MIT App Inventor 編寫的。對于 Android 的快速應(yīng)用程序開發(fā)來說，這是一個非常好的環(huán)境。

應(yīng)用如圖所示：

應(yīng)用程序邏輯已使用內(nèi)置塊進(jìn)行編程：

第 4 步測試

如果您擁有構(gòu)成系統(tǒng)的所有部分，則可以將它們加入到一個完整的系統(tǒng)中。

1. 將 Mikroelektronika Heart Rate 3 Click Board 放在 Clicker 2 for FT90x 開發(fā)板的 mikroBUS 插座中。

2. 使用引導(dǎo)加載程序和帶有該 MCU 軟件的二進(jìn)制文件對 FT900 微控制器進(jìn)行編程。

3. 使用 Embedded Studio 對 Nordic nRF52840 MCU 進(jìn)行編程。

4. 用電纜連接適當(dāng)?shù)奈⒖刂破鞔诰€：

nRF52840 P0.8 (RX) 到 FT900 GPIO48 (UART0_TXD)

nRF52840 P0.6 (TX) 到 FT900 GPIO49 (UART0_RXD)

兩款微控制器均采用 3.3V 供電，因此不需要電壓電平轉(zhuǎn)換器

5. 重置兩個微控制器

6. 在您的智能手機(jī)或平板電腦上安裝 Android 應(yīng)用程序。

7. 啟動應(yīng)用程序并選擇適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙設(shè)備（單擊“選擇便攜式顯示器”）。

8. 應(yīng)用程序每 1 秒更新一次測量結(jié)果。

設(shè)計的設(shè)備通過藍(lán)牙連接將有關(guān)測量的心率和血液飽和度的信息發(fā)送到智能手機(jī)。在為 Android 移動設(shè)備開發(fā)的特殊應(yīng)用程序中，每位患者都可以了解自己的健康狀況。

硬件組件

• Mikroelektronika 心率 3 點擊板，MIKROE-2036
• 用于 FT90x 開發(fā)套件的 Mikroelektronika Clicker 2，MIKROE-1724
• Nordic nRF52840 開發(fā)套件

軟件應(yīng)用程序和在線服務(wù)

• 用于 FT90x IDE 的 Mikroelektronika mikroC PRO
• 適用于 ARM 的 SEGGER Embedded Studio IDE
• 北歐 nRFConnect
• 北歐 nRFgo 工作室
• 麻省理工學(xué)院應(yīng)用發(fā)明者