可穿戴多生理参数监护系统
摘要：此系统能够实现对温度，脉搏，血压，呼吸等生理参数的监测。系统的设备被安放在
病人的手指和手腕部位，通过多种传感器来测量病人的生命信号。这款设备能够适用于去监
测体育运动员和新生婴儿，帮助他们更好的了解自己的身体状况，同时相对于市面上的多生
理参数测量仪，具有体积小，可穿戴，价格低的优势。在参数的测量精度上也达到了同类产
品的水平。
关键词：生理参数 可穿戴 传感器
1. 引言
现在许多新的研究都侧重于通过设计融合一些传感器来提高人的生活质量，尤其是
人的健康，而这些传感器主要分为两种，直接接触人体组织的和间接接触。这一领域之
所以发展这么迅速，一个主要的原因就是世界人口的增加与老龄化。根据美国医学部门
的一项统计数据显示，到2050年，全球大约有20%的人将超过65岁。这将导致对医疗
人员和设备的一个巨大需求，但是由于医疗资源的紧缺和医疗成本的上升，很多人又是
支付不起这么昂贵的费用的，尤其是一些需要长期监护的病人。而在这个监护的过程中，
有几个参数是需要定期测量的。比如被称为人体四大生命体征的温度，脉搏，血压，呼
吸。
由此可以看出，研究一款多参数健康监护系统，对患者平时进行监护，并评估患者
健康状态，有很大价值和现实意义。
1. 多参数的设计,可以使患者对自己多项生理指标同时进行监测,避免了各项指标
分开测量的麻烦,同时节约了成本。
2. 相比于在医院进行监护,在自己熟悉的环境下测量,可以减轻患者心理压力,提高
测量准确度,不用往返于医院之间,减少了不必要的麻烦。
3. 对亚健康人群的监护,可以尽早发现疾病的早期症状,从而达到保健和预防疾病
的目的。
针对以上所述情况,设计一套多参数家庭健康监护系统用于家庭日常监测,为患者提
供辅助诊断,尽早发现处于亚健康状态的患者的疾病征兆,真正做到“防患于未然”。
2. 系统各模块设计
2.1 血压模块
血压模块由主要由压力传感器，放大电路，滤波电路，气泵，袖带，电磁阀，A/D
转换电路，充放气驱动电路，单片机等组成。如图1所示。其测量原理为：采用示
波法，在充气过程中，压力不断增加,检测静压力和袖套内气体的振荡波,振荡波起
源于血管壁的搏动。压力较小时，在袖带静压力小于舒张压 Pd之前，动脉管壁在
舒张期已充分扩展，管壁刚性增加，因而波幅维持在较小的水平。随着压力的增加，
当袖带压力高于收缩压 Ps时，动脉被压闭，此时因近端脉搏的冲击而呈现细小的
振荡波；当袖带静压等于平均压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大值；
振荡波的包络线所对应的袖带静压力就间接地反映了动脉血压。基于冲气的示波法
测量原理图如图2.
袖 带
电磁阀
气 泵
压
力
传
感
器
ADC
微处理器系统总体框图充放气驱动电路
放大电路滤
波
电
路
图1 血压模块系统总体框图
图2 基于充气的示波法测量原理图
2.2 温度模块
本文选择美国 DALLAS 半导体公司的 DS18B20 数字式温度传感器，它是一款
集成芯片，将传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，集成度高，
操作简单，符合本文模块化设计的需求。其管脚排列及封转图如图3所示。
图3 DS18B20实物管脚分布图
DS18B20 的硬件接口非常简单，供电方式为计生电源供电或外部供电。采用寄
生电源供电时，在远程温度测量或是测量空间受限的情况下特别有价值。寄生电源
供电的原理是在数据线为高电平的时候“借用”数据线的电源，电荷被存储在寄生
供电电容上，当数据线为低的时候为设备提供电源。当 DS18B20 采用外部供电时，
只需将其数据线，与单片机的一位双向端口相连就可以实现数据的传递。我们选择
外部供电方式，接口电路图如图4所示。数字信号输入/输出端 DQ 接 GPIO 口
GPG14，电源接 5V 供电。
图4 体温传感器DS18B20接口电路图
2.3 脉搏模块
根据朗伯-比尔定律，物质在波长一定的情况下，它的吸光度与浓度成正比。当
一定波长的光照射到人体组织上时，经过人体组织吸收、反射衰减后，被照射部位
组织的结构特性可由透过人体组织的光强进行反映。人体的脉搏现象基本是由动脉
膨胀和收缩导致的，相对于其它人体器官组织，人体指尖组织中的动脉分布密集，
并且指尖组织结构也比较薄，这样光透过手指的光的强度相对较大，检测到的光的
强度越大，采集的脉搏数据越精确。这是传感器的测量部位选在人体指尖的直接原
因，因此在一定波长的光源照射下，就可以通过检测透过手指的光的强度来间接测
量到人体的脉搏信息。脉搏采集图如图5.
图5 脉搏采集图
传感器由红外发光二级管和光敏三极管组成，如图 6，采用 GaAs 红外发光二
极管作为光源时，可基本抑制由呼吸运动造成的脉搏波曲线的漂移。光敏三极管在
红外光的照射下能产生电能，它的特性是将光信号转换为电信号。在本设计中，光
敏三极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。
图5 透射式光电传感器结构图
3. 总结
通过本文的研究，研制了适用于专业医院及个人的高度集成化的穿戴式生理参数监
测系统，实现对血压，脉率，体温等主要生理参数的动态监测。通过实际试验与专业机
构的检验，本仪器对生理参数的检测结果稳定可靠，达到了推广标准。为心血管疾病的
早期发现、早期诊断、以及建立专业医疗服务和家庭健康看护相结合的医疗体系提供了
实现手段。
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