霧霾預警及人體健康建議智能穿戴設計

引 言

隨著近年來我國空氣質量的惡化，霧霾天氣逐漸增多，人體呼吸系統(tǒng)的影響尤為明顯，因此可從測定心率和呼吸頻率這兩個能夠表現(xiàn)人體呼吸系統(tǒng)健康的兩個重要因素著手 [1-3] 監(jiān)測人體健康數(shù)據(jù)。手機的發(fā)展已不再是通信終端，還包含了許多生活、工作中必備的功能，用戶對手機依賴度不斷提升。隨著智能手機和手機應用的日漸普及，Android的崛起逐呈現(xiàn)出一個動態(tài)局面。4G 的廣泛存在使得信息服務形成一個以受眾為中心，網(wǎng)絡全方位覆蓋、業(yè)務全能力提供、終端全形態(tài)呈現(xiàn)的全媒體信息網(wǎng)絡。受眾可在任何時間、地點利用任何終端享有全媒體的信息服務。隨著人們生活水平的提高，健康問題成為人們關注的重點，智能機和高速網(wǎng)絡的大范圍普及成為人們關注健康的最便捷途徑 [4-5]。由于 Android 手機的普遍性越來越強，已有部分廠商開發(fā)出類似 APP 能夠實時顯示 PM2.5 及天氣指數(shù)，也有相關 APP可通過攝像頭單獨采集人體心率指數(shù)，如天氣通、Heartrate等。一些廠商基于 Android 平臺開發(fā)出相關硬件產(chǎn)品。如小米手環(huán)、Jawbone 等，它們一般都適用于健康人群的運動指標，如計步、運動卡路里指數(shù)消耗和睡眠指數(shù)監(jiān)測等。但兩者并未相互結合，這類智能儀器的最大問題在于其同步并不是無線和實時的，需要通過接口和手機平板之間進行傳輸，并同步數(shù)據(jù)，才能獲得結果。因此智能手環(huán)還不如手機自帶的健康運動應用程序，或專業(yè)的卡路里計步器。而 APP 市場的各種健康軟件，并沒有做到結合人體指標和外界因素做出合理建議，即使蘋果公司推出了 iWatch 并連接 iPhone 提供實時監(jiān)控，也沒做到對不同個體提出個性化建議。本設計將軟件部分和硬件部分相結合，通過硬件部分對人體指標監(jiān)測，并傳送給 APP，并由 APP 與相關天氣指數(shù)相結合，根據(jù)用戶個人相關的身體情況，推送出更為合理的健康建議 [4]。

1 霧霾對人體健康影響

近些年肺癌的得病率呈很大的上升趨勢，特別是對于患有呼吸系統(tǒng)疾病的人，霧霾天氣對其影響尤為顯著 [5]。霧霾中有毒物質達二十多種，包括酸、堿、鹽、胺酚、塵埃、花粉、螨蟲、結核桿菌、肺炎球菌等，其含量是普通大氣水滴的幾十倍。霧霾中主要對人體造成危害的是 PM2.5。PM2.5 所含的細微顆粒物可進入細支氣管、肺泡，再通過肺泡壁進入毛細血管，進而進入整個血液循環(huán)系統(tǒng)，嚴重危害人體健康。人長期處于霧霾天氣中，可能會引發(fā)急性上呼吸道感染等各種呼吸系統(tǒng)疾病。特別是對于患有呼吸系統(tǒng)疾病的人，霧霾天氣對其影響尤為顯著 [6]。PM2.5 指數(shù)對人體健康影響見表1 所列。

2 系統(tǒng)設計

本研究針對霧霾天氣進行預警，并能對人們生活和身體健康提出一定的建議。使用 Android 移動終端下載國家權威部門發(fā)布的霧霾 PM2.5 指數(shù)，并實時監(jiān)測用戶的心率和呼吸等生理指標，將兩者數(shù)據(jù)綜合，對用戶的身體狀況進行綜合評估，并在此基礎上對用戶的生活和起居給出建議。技術關鍵包括 ：

（1）對生理指標進行方便實時的采集與傳輸 ；

（2）建立基于統(tǒng)計大樣本的模糊評價模型 ；

（3）軟硬件的嵌入與融合。本系統(tǒng)分為軟硬件兩部分，其中軟件為基于 Java 開發(fā)的 Android 應用 ；硬件部分為人體呼吸指標監(jiān)測部分，采用非接觸式測量方式自動獲取數(shù)據(jù)，濾波處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)云平臺傳輸?shù)揭苿佣?，從而獲取呼吸頻率。該設計適用于中老年及呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監(jiān)護。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，在家中則需要專人看護。本產(chǎn)品對使用者部分生理指標進行不間斷實時監(jiān)測，并針對實時霧霾指數(shù)提出建議，可部分替代專人看護，具有較好的研究意義。

目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康， 因此本研究項目和生產(chǎn)推廣將帶來較高的經(jīng)濟效益 ；針對實時天氣指標，特別是 PM2.5 指標值，對用戶個體進行個性化預警信息預報和推送。同時收集了部分數(shù)據(jù)，并對相關數(shù)據(jù)展開了初步分析，通過 Android 平臺軟件的開發(fā)與實現(xiàn)，包括軟件開發(fā)測試運行、硬件開發(fā)及軟硬件聯(lián)機測試、可穿戴式硬件設計制作、MCU 程序設計、電路設計和戶穿戴貼身式背心等。

系統(tǒng)流程主要由以下七個部分構成，如圖 1 所示。硬件端設計智能穿戴用于采集人體呼吸頻率數(shù)據(jù)，并通過云端接口將數(shù)據(jù)傳送給手機端，同時手機端通過攝像頭采集人體心跳頻率數(shù)據(jù)，并調(diào)取中國氣象網(wǎng)接口請求本地實時PM2.5 數(shù)據(jù)后，將三個數(shù)據(jù)進行匯總，進行統(tǒng)計分析，對比數(shù)據(jù)庫，匹配合理健康建議，最終通過手機端 APP 推送給用戶。

3 硬件設計

硬件設計分為兩部分 ：一部分是傳感器設計，用于采集人體呼吸頻率指標 ；另一部分是云平臺搭建。硬件部分使用STM32F407 系列單片機，該款芯片具體參數(shù)等已在文章《基 于 STM32 單片機激光壓制追捕系統(tǒng)設計》中有詳細介紹，云平臺的搭建采用在 STM32 單片機外設接 WiFi 模塊，使用慶科基帶移植，機智云平臺數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)專用 API 接口傳輸

至 Android 手機 APP 中 [7-8]。

傳感器部分采用平板電容器模型 ：

 C=ξS/d

式中：C 為電容，ξ 為電容率，S 為極板正對面積，d 為平板垂直距離。人體呼吸過程中由于胸腔內(nèi)人體器官組織在呼氣和吸氣過程中的變化，會引起電容率 ξ 的變化，從而使電容C 改變。因此只要檢測出電容 C 的變化，便可得到人體呼吸頻率，呼吸頻率測量傳感器模型如圖 2 所示。

測量電容 C 電路采用 ne555 芯片構成多諧振蕩器，電路如圖 3 所示。通過多諧振蕩電路觸發(fā)脈沖接入 STM32單片機得到電容充放電時間，再通過計算可得到電容大小變化 [9-12]。

實驗室數(shù)據(jù)測試階段使用示波器觀察到的波形圖如圖 4所示，該波形經(jīng) Matlab 處理后的數(shù)據(jù)如圖 5 所示。該波形是分別測得的三組人體呼吸數(shù)據(jù)，可表示人體呼吸頻率曲線，實驗證明該設備可收集到準確的數(shù)據(jù)。

最后通過串口程序，經(jīng) WiFi 傳輸至云端，便可實現(xiàn)呼吸頻率采集工作。

4 成品圖

實驗室成品圖測試和可穿戴成品圖分別如圖 6 和 7 所 示。實驗室測試階段采用金屬極板作為點擊測試，成品階段使用弱性導電防輻射布料作為電極，測試效果均達到理想效果。

5 結 語

本設計最重要的創(chuàng)新點是將硬件與軟件相結合，使用戶在使用過程中能與自身相結合，更適合個人應用，符合目前的物聯(lián)網(wǎng)潮流。即有硬件收集個人數(shù)據(jù)并傳輸給軟件段進行處理，用戶能方便地獲取信息。

該產(chǎn)品適用于中老年及患有呼吸、心腦血管疾病患者的日常健康監(jiān)護。此類患者患有慢性疾病，不適合長期住院治療，而在家中則需要專人看護。本產(chǎn)品對使用者部分生理標進行監(jiān)測，并針對實時霧霾指數(shù)提出建議，可部分替代專人的看護，同時目前國家日益重視霧霾防治，人民大眾日益重視健康，具有重要的現(xiàn)實意義