描述

介紹

嬰兒猝死綜合癥（SIDS）在不到一歲的嬰兒中發(fā)生了很多。響應(yīng)時(shí)間來(lái)幫助這些嬰兒是至關(guān)重要的。（通常少于幾分鐘）。必須盡快將警報(bào)發(fā)送給護(hù)理人員。專用系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)包括體溫、呼吸、爐膛率在內(nèi)的生命體征，實(shí)時(shí)向護(hù)理人員發(fā)送緊急警報(bào)。

這里我使用nRF5340作為核心來(lái)收集數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，使用手機(jī)作為網(wǎng)關(guān)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)推送到云端進(jìn)行進(jìn)一步的分析和聚合。我選擇 MAX30102 傳感器來(lái)收集健康，因?yàn)樗軌蛲瑫r(shí)獲取心率和氧氣數(shù)據(jù)。

MAX30102 能夠記錄原始 IR 數(shù)據(jù)，詳細(xì)的分析/算法必須在主機(jī) MCU 中完成。有幾個(gè)參數(shù)需要微調(diào)，例如光的脈沖寬度、強(qiáng)度，以優(yōu)化我們應(yīng)用的性能。經(jīng)過(guò)幾周的微調(diào)，我決定繼續(xù)使用 MAX32664 生物傳感器集線器。生物傳感器中樞嵌入了復(fù)雜的心率/SPO2 計(jì)算算法，能夠在手指接觸后 10 秒內(nèi)生成穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。MAX30205被選用于人體溫度檢測(cè)，因?yàn)樗谌梭w溫度范圍內(nèi)具有很高的精度，±0.1°C。APA102 (DotStar) 用于指示狀態(tài)，與 NeoPixel 相比，它很小，適合嬰兒穿戴。

數(shù)據(jù)可視化包括電話可視化和網(wǎng)絡(luò)可視化。當(dāng)手機(jī)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)顯示在手機(jī)應(yīng)用程序中，并帶有圖表和關(guān)鍵指標(biāo)。手機(jī)還充當(dāng)了將數(shù)據(jù)推送到云端的大門。通過(guò) MQTT 協(xié)議和Grafana儀表板，我能夠在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建一個(gè)即用型儀表板。

系統(tǒng)總覽

nrf5340 模塊負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)和暴露 GATT 服務(wù)。

系統(tǒng)總覽

?

?

傳感器

• 心率和 SpO2 傳感器 - MAX30102

我使用 MAX30102 分線板進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

這是簡(jiǎn)單原型設(shè)計(jì)的接線圖。

Arduino - MAX30102 原型設(shè)計(jì)

?

我嘗試了 SparkFun MAX3010x 脈沖和接近傳感器庫(kù)和 DFRobot_MAX30102 庫(kù)。

脈搏血氧儀是氧飽和度 (SpO2) 的非侵入性測(cè)量。氧飽和度定義為基于血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的檢測(cè)，測(cè)量溶解在血液中的氧氣量。使用兩種不同的光波長(zhǎng)來(lái)測(cè)量 HbO2 和 Hb 吸收光譜的實(shí)際差異。血流受 HbO2 和 Hb 濃度的影響，它們的吸收系數(shù)使用兩個(gè)波長(zhǎng) 660 nm（紅光譜）和 940 nm（紅外光譜）測(cè)量。脈搏是通過(guò)計(jì)算每個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量的，通常會(huì)使用快速傅里葉變換來(lái)獲得穩(wěn)定的心率結(jié)果。

如果您對(duì)這些原則感興趣，請(qǐng)隨時(shí)查看以下參考資料：

脈搏血氧飽和度：了解其基本原理有助于了解其局限性

脈搏血氧儀在估計(jì)靜息和運(yùn)動(dòng)期間心率的準(zhǔn)確性

基于紅外兩個(gè)波長(zhǎng)的免校準(zhǔn)脈搏血氧儀——初步研究

脈搏血氧儀的基本原理和設(shè)計(jì)

使用脈搏血氧儀同時(shí)測(cè)量氧合和一氧化碳飽和度

• 生物傳感器集線器 - MAX32664

由 Sparkfun 拍攝

?

Sparkfun 脈搏血氧儀傳感器集成了 MAX32664 生物傳感器集線器和 MAX30101 傳感器。MAX32664傳感器集線器是一款Cortex M4處理器，可處理所有算法計(jì)算、數(shù)字濾波、壓力/位置補(bǔ)償、高級(jí)R波檢測(cè)和自動(dòng)增益控制。它比處理裸露的 MAX30101 傳感器更容易測(cè)量心率和 SPO2。

我決定將 MAX32664 與 MAX30102 傳感器一起使用，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且輕松的編程。請(qǐng)參見下面的比較。

• 體溫 - MAX30205

MAX30205 是一款易于使用的人體溫度傳感器，在 35 C 左右的人體溫度范圍 +/- 0.1 內(nèi)具有高精度。

它使用3.3V輸入和I2C接口。獲取溫度只是一個(gè) I2C 命令。

MAX30205體溫傳感器分線

?

• APA102 / LED

APA102 是一個(gè)快速的 SPI RGB led，也可以通過(guò) bit bang 驅(qū)動(dòng)。我使用這個(gè) LED 來(lái)指示心跳和系統(tǒng)狀態(tài)。

nRF5340 與 Zephyr

在我看來(lái)，Zephyr 對(duì)初學(xué)者絕對(duì)不友好，但是一旦你掌握了整體結(jié)構(gòu)，它就可以非常強(qiáng)大，特別是對(duì)于大型項(xiàng)目。我最喜歡 Zephyr 的地方在于，您可以在不同的板上使用完全相同的代碼庫(kù)。即，如果我使用 BLE 和 I2C 為 nRF5340 編寫代碼，我可以為 nRF52832 甚至 STM32WB55 使用完全相同的代碼，外圍設(shè)備只需要較小的引腳映射。大多數(shù)代碼保持不變，將遺留代碼移植到更新的硬件/平臺(tái)的工作更少。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我為 MAX30101、MAX32664、MAX30205 創(chuàng)建了自定義驅(qū)動(dòng)程序，APA102 代碼已經(jīng)存在，使用 SPI 或 bit bang。

對(duì)于 MAX30101，我使用心率算法從 Sparkfun Arduino 庫(kù)移植代碼。我必須在 board 目錄中創(chuàng)建一個(gè) nrf5340dk_nrf5340_cpuapp.overlay 文件來(lái)為傳感器添加額外的定義。有關(guān)突出顯示的代碼，請(qǐng)參見代碼部分。

MAX32664 和 MAX30205 遵循相同的流程，端口驅(qū)動(dòng)，寫入覆蓋，在真實(shí)傳感器上進(jìn)行測(cè)試。APA102的驅(qū)動(dòng)也寫好了，可以在driver/samples文件夾下找到。

還要檢查我的github 上的源代碼。

這一步花了我一半的時(shí)間，因?yàn)樗鼘?duì)我來(lái)說(shuō)是一個(gè)全新的框架，我必須深入了解它。但我很高興有機(jī)會(huì)了解這個(gè)用于復(fù)雜 MCU 項(xiàng)目的出色框架。而且文件寫得很好。支持許多板和傳感器。

Zephyr的整體布局：

?

安卓應(yīng)用（顫振）

本項(xiàng)目使用 Flutter 搭建 nRF5340 和云之間的橋梁。該應(yīng)用程序不斷收到來(lái)自 nRF5340 的通知，包括心率數(shù)據(jù)、體溫，然后通過(guò) MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕?/font>

與具有大量可使用小部件的普通 Android 相比，F(xiàn)lutter 非常適合快速原型設(shè)計(jì)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我主要使用flutter_blue小部件、fl_chart小部件和mqtt_client 。Flutter_blue 用于與 nRF5340 傳感器通信并從 bio-hub 傳感器獲取最新讀數(shù)。fl_chart 用于以折線圖格式顯示結(jié)果，mqtt_client 用于將數(shù)據(jù)推送到 AWS IoT 核心。

我首先使用帶有一些虛擬數(shù)據(jù)的 fl_chart 來(lái)生成一個(gè)帶有計(jì)時(shí)器的折線圖，每秒吐出隨機(jī)數(shù)據(jù)。

心率 - 由 fl_chart 在顫振中創(chuàng)建的 SPO2 圖表

?

其次，我使用 flutter_blue 從 nRF5340 獲取傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 8 字節(jié)數(shù)組中，并通過(guò) BLE 通知傳輸。前 4 字節(jié)數(shù)據(jù)是心率，后 4 字節(jié)數(shù)據(jù)是體溫。

例如，以下通知中的數(shù)據(jù)為 3F 62 03 63 00 90 D6 41

0x3F = 63 bpm，心率

0x62 = 98 %，SPO2 水平

0x03 = 狀態(tài)碼，03 表示聯(lián)系

0x63 = 99，來(lái)自 MAX32664 的置信度

0x00 0x90 0xD6 0x41 為 IEEE 754 格式，轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)為 26.82 °C。

?

第三，mqtt_client 用于將所有相關(guān)數(shù)據(jù)推送到云端，以便進(jìn)一步監(jiān)控和分析。

Flutter APP采集生物特征數(shù)據(jù)截圖

?

能源管理

在 Zephyr 中，可以通過(guò) pm_power_state_force、pm_power_state_set 等內(nèi)置 api 進(jìn)行電源管理。有不同級(jí)別的電源狀態(tài)，例如 PM_STATE_ACTIVE、PM_STATE_STANDBY。

我試圖測(cè)量和優(yōu)化設(shè)備的功耗。空閑電流約為 1mA，僅 BLE 廣告。連接 BLE 后，傳感器數(shù)據(jù)采集也開始，電流消耗增加到 2mA。啟用睡眠模式后，電流消耗可降至 200uA。

請(qǐng)參見下面的電流測(cè)量。

?

云支持（AWS IoT 核心）

云集成是通過(guò) AWS IoT 核心完成的。數(shù)據(jù)通過(guò)加密的 MQTT 推送到 AWS IoT Core。數(shù)據(jù)可以在 AWS IoT 中心測(cè)試部分進(jìn)行可視化。然后，我使用 AWS IoT Sitewise 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并使用 Grafana 的內(nèi)置 IoT 站點(diǎn)插件將其可視化。

AWS IoT Core 中收到的 MQTT 數(shù)據(jù)

?

有很多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可供adafruit.io 、ubidots.com 、thingspeak.com 、thingsboard.io 、kaaproject.org等創(chuàng)客使用。我選擇 AWS MQTT 作為后端和 Grafana 前端是因?yàn)樗暮?jiǎn)單性和靈活性。

在 Grafana Dashboard 中可視化的數(shù)據(jù)

?

印刷電路板

我做了兩個(gè)版本的PCB，第一個(gè)由于手工焊接nRF5340芯片的難度而不太成功。

這是原理圖，基本上我使用 nRF5340 DK 和 Sparkfun Bio-Sensor Hub 作為參考，稍作修改。

然后將 PCB 發(fā)送到 JLCPCB 進(jìn)行制造。

我手工焊接所有版本的 PCB。

示意圖 V0

?

印刷電路板 V0

?

印刷電路板 V0

?

第一個(gè)版本僅使用 MAX30102 傳感器，它沒有 MAX32664 生物集線器傳感器。所以很難得到穩(wěn)定的心率結(jié)果。

然后我轉(zhuǎn)到第 1 版

電路板 V1

?

電路板 V1

?

手工SMT貼裝

?

nRF5340 重新布線

?

外殼3D打印

3D 模型是在 Fusion 360 中設(shè)計(jì)的。

外殼做成烏龜形狀，對(duì)嬰兒更友好。

外殼 3D 動(dòng)畫

?

?

?

黑色與白色外殼

?

完成品

下面是成品，基本功能按預(yù)期工作。但是，固件在投入使用之前仍需要大量的打磨和優(yōu)化。

白色外殼中的最終產(chǎn)品

?

結(jié)論

我使用nRF53-DK和Power profiler Kit創(chuàng)建了一個(gè)嬰兒生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)嬰兒的生命體征數(shù)據(jù)。父母可以遠(yuǎn)程監(jiān)控寶寶的健康狀況，并在出現(xiàn)心率異常、發(fā)燒引起的高溫以及與 SPO2 水平相關(guān)的呼吸問(wèn)題等緊急情況時(shí)設(shè)置警報(bào)。

nRF53 適用于具有 RTOS 支持和易于移植的庫(kù)的專業(yè)/復(fù)雜的可穿戴項(xiàng)目。