基于MAX30101传感器和蓝牙传输模块的便携式低功耗血氧仪的研制

基于MAX30101传感器和蓝牙传输模块的便携式低功耗血氧仪的研制

蒋传媛

深圳市麦瑞康科技有限公司518000

摘要：2020年新型冠状病毒（covid-19）将席卷世界，血液的氧饱和度将成为新型冠状病毒治疗的重要指标。血液中的氧饱和度降低，表示病情正在从轻度向重度转变。在这样的状况下，医疗护理和治疗是迫切需要的。特别是在医疗资源不足的地区和大规模流行的地区，疑似症状的患者可以在家进行自我治疗，配备便携式血氧计，以便随时了解自己的状况。血氧饱和度是衡量人体生理状态的一项重要指标，包含大量生理、病理数据，为实时、无创、便携式血氧监测奠定基础。血氧计是一种测量血液中氧饱和度的仪器。通过Lambbie法则，可以监控身体的脉搏和氧气饱和度。本研究开发了一种功耗较小的便携式血氧仪，用于血液中氧的实时监控。该系统以STM32为中心，数据采集为中心，MAX30101为主要器件。STM32单片机通过 PLC实现了MAX30101传感器、OLED显示、蓝牙传输、USB调试等功能的实时监控。通过实验样机的测试，证明了该方法的正确性和可靠性，并在后续的移动医疗中开展血液氧测试提供了依据，目前该血氧仪已在欧美市场得到广泛认可。

关键词: STM32 单片机；血氧浓度；MAX30101传感器；数据监测

1绪论

2020年新型冠状病毒将席卷世界，血液的氧饱和度将成为新型冠状病毒治疗的重要指标。血液中的氧饱和度降低，表示病情正在从轻度向重度转变。在这样的状况下，医疗护理和治疗是迫切需要的。特别是在医疗资源不足的地区和大规模流行的地区，疑似症状的患者可以在家进行自我治疗，配备便携式血氧计，以便随时了解自己的状况[1]。血氧饱和度是衡量人体生理状态的一项重要指标，包含大量生理、病理数据，为实时、无创、便携式血氧监测奠定基础。血氧计是一种测量血液中氧饱和度的仪器。通过 Lambbie法则，可以监控身体的脉搏和氧气饱和[2]。

为了实现对血液中氧的实时监控，本文提出一种可提高测量精度，优化数据运算，降低能耗的便携式血氧机监控系统。该系统以STM32F103C8为核心，MAX30101型传感器、 OLED显示屏、蓝牙JDY-18模块组成，开发了一种高精度、低功耗的血氧计。建立了硬件模块，完成了数据的采集、传输、存储和动态显示采用软体程序对各硬件组件的运行状况进行控制，并对数据算法进行进一步的优化；采用无线蓝牙技术，实现了对血液氧含量的实时监测和实时显示，并将所测的历史数据通过无线蓝牙技术传送至智能终端。本文将非干涉性生理信号探测技术引入到日常的穿戴中，为实现智能手机医学的发展打下了坚实的基础。

2 系统总体设计方案

该系统采用模块化的设计思想，以软硬件的形式进行开发。该传感器检测电路采用MAX30101，该传感器具有高灵敏的可佩戴性，该传感器自身包含一套完整的 LED和驱动部件、光电探测器、ADC转换部件和环境光抑制部件。利用光电容积法测量人体组织的脉动透过率，从而确定脉搏和血氧饱和度。光源用一条带子系在腕部或手指上，发出约550纳米的绿色光线，用以检测血管内的氧合血红蛋白和血红蛋白，绿光的抗干扰能力要比红光更强。通过皮肤组织反射的光线由光电敏感元件接收，然后由 ADC将其转化为数字信号，由控制器进行处理。采用STM32F103C8作为控制器，采用0.96英寸的 OLED显示屏，采用 BluetoothJDY-18的无线传输模块。为便于调试，在试验样机中加入 USB接口的微机调试电路，使整个测试系统得到最大的优化。

系统总体框图如图 1 所示。

图 1系统总体框图

3 系统硬件设计

3.1传感器模块

利用I2C传送标准MAX30101传感电路与STM32通讯。零等待电流可以由软件控制来实现，因此，在闲置状态下，功率消耗可以得到进一步的降低[3]。它的包装尺寸是56毫米*3.3毫米*1.55毫米，内部的光电探测器被一层透明的玻璃保护着。可被设计为可穿戴式的手镯。MAX30101采用I2C双向通讯协议，将 SCL、SDA管脚与STM32PB6、PB7相连。INT将MAX30101的中断输入管脚与STM32的PB12相连接，并在低电平下进行有效的中断，并且必须要接上拉电阻器。为了达到最佳的探测性能，MAX30101的 VLED+ VDD管脚与 PGND相连[4]。

3.2显示及无线传输模块

该系统采用了蓝牙JDY-18模块， RX、 TX两个插针分别与 STM 32的PA2、PA3管脚相连，通过蓝牙将数据传输到智能终端装置。显示屏采用0.96英寸 OLED, OLEDD0、D1管脚与STM32PA5、PA7相连，通过 SPI进行数据传送。为方便试验样机的调试，增加USB-TTL模块的电路。USB-TTL模块的 TXD、 RXD与STM32的PA9、PA10进行数据的传送。系统总体电路图如图 2 所示。

图 2系统总体电路图

4 系统软件设计

在 Keil环境下，利用 C语言在 PC机上完成了软件的设计。完成编程后，将其转化成STM32可辨识的计算机语言，再将该程序下载到STM32控制器中的专用内存中，从而完成STM32对整个硬件电路的定时控制和对数字血氧信号的处理。

4.1血氧数据采集

首先，控制器 STM 32将初始配置命令发送给MAX30101,MAX30101将绿色信号发送给被测试对象，MAX30101带有一个感光传感器来探测反射的信号，所接收的模拟信号为 ADC对接（ADC）的模-数模变换，随后 STM 32进行下一步骤的处理[5]。如果对这种数据信号进行了有效的判定，STM 32在数据信号是有效的情况下，完成对该信号的检测，如果这个信号是无效的，那么MAX30101将再次发送一个绿色信号。血氧数据采集软件部分流程图如图 3 所示。

        图 3 血氧数据采集软件部分流程图

4.2信号处理及显示模块的设计

通过对STM32进行高效的提取和数字操作，最终确定了血液中的氧气浓度。在此软件算法中，STM32在接收到有效信号后，向MAX30101发出探测指令，并对其进行10次扫描，获得10个信号的平均。另外，通过 SPI协议接口，控制器STM32将血氧值显示在 OLED显示器上，并且将其存入STM32的寄存器。在图4中，文中还介绍了该系统的信号处理与显示模块的设计过程。当用户通过智能终端与蓝牙进行通信时，会发送“读取记录”命令，通过蓝牙设备读取STM32的数据，并发送给智能终端。

    图 4 信号处理及显示模块程序流程图

5 结论

本论文通过硬件电路与软件程序相结合，对血液氧浓度进行检测和显示，并通过蓝牙无线方式向智能终端传输数据。采用STM32作为控制器和数字信号处理器，采用超低功耗的 MCU作为控制器，采用3.3 V的电源，在极低的功率下，携带方便。该试验样机能将整个系统的大小控制在4 cm*4 cm*1.5 cm的范围内，并需要进一步发展专门的 PCB板，使整个系统的大小保持在2厘米*1厘米的范围内。经样机试验验证，该系统精度高，稳定性好，能够实时、动态地检测人体内的血液氧含量。

参考文献

［1］郭萍，张虹，孔澍，等．人体脉搏血氧饱和度光仿真系统研究［J］．生命科学仪器，2020，18( 4) : 61－67．

［2］方启超．血氧饱和度检测技术研究—无创脉搏血氧饱和度检测仪的设计［D］．南京: 南京理工大学，2013．

［3］徐玉菁．基于 MSP430 单片机的便携式血氧仪的设计与实现［D］．南京: 东南大学，2018．

［4］黎圣峰，庞宇，高小鹏，等．便携式血氧信号检测装置设计［J］．传感器与微系统，2017，36( 3) : 110－112+119．

［5］吴洁，李凯扬．基于 AFE4404 的脉搏血氧检测系统［J］．现代电子技术，2019，42( 4) : 10－13．