本文基于Arduino開發(fā)板，設(shè)計(jì)了基于壓電原理的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用柔性聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)壓電薄膜傳感器采集呼吸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸式檢測(cè)到呼吸信號(hào)。該傳感器不僅可以避免使用者在使用時(shí)的尷尬，也減少了使用者的看病時(shí)間和費(fèi)用，同時(shí)還可以更加緊湊有效的使用醫(yī)護(hù)資源。設(shè)計(jì)過(guò)程中將數(shù)據(jù)傳入云端，為使用者及時(shí)查看提供方便。

01

引 言

作為人體重要的生命活動(dòng)之一，呼吸對(duì)于維持身體正常的生理代謝至關(guān)重要。隨著生活水平的提高，人們對(duì)呼吸信號(hào)等生理信號(hào)的關(guān)注度也增加，提前檢測(cè)并積極防治呼吸相關(guān)問(wèn)題變得越來(lái)越重要。因此，對(duì)人體呼吸信號(hào)狀況進(jìn)行檢測(cè)具有極其重要的意義。在一些特殊場(chǎng)合，例如大面積燒傷患者，傳統(tǒng)的貼片式傳感器與皮膚直接接觸的方法可能不適用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。此外，非接觸式呼吸檢測(cè)在軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有特殊的意義。呼吸分析在肺部疾病的診斷和管理中發(fā)揮著重要作用。目前，人們對(duì)醫(yī)療方面的需求更加傾向于方便、快捷和精準(zhǔn)，而不僅僅是在身體不適時(shí)才在醫(yī)院進(jìn)行檢測(cè)。因此，呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用方便、價(jià)格合理和安全性高等特點(diǎn)成為使用者的首選要求。◆呼吸檢測(cè)原理人體呼吸是全身組織細(xì)胞傳送氧氣并排出二氧化碳?xì)怏w的過(guò)程。如圖1所示，呼吸過(guò)程總體包括外呼吸、氣體在血液中運(yùn)輸以及內(nèi)呼吸3個(gè)基本環(huán)節(jié)。根據(jù)資料數(shù)據(jù)表明，人體呼吸信號(hào)的頻率范圍約為 0.2～0.8 Hz, 人體的一次胸部起伏就代表了一次呼吸，呼吸頻率是人體每分鐘呼吸的次數(shù)。

圖1人體的呼吸過(guò)程示意圖

壓電效應(yīng)(壓電原理)是某些電介質(zhì)在沿某個(gè)方向上，受到外在擠壓力作用下而變形時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生的極化現(xiàn)象。同時(shí)，在其兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)極性相反的電荷信號(hào)。當(dāng)外在擠壓力去除以后，若能恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，則稱此為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上添加一個(gè)電場(chǎng)力，若電場(chǎng)去除后，電介質(zhì)的變形隨之消失，則稱為逆壓電效應(yīng)。

02

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用壓電薄膜傳感器采集人體呼吸信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大模塊以及Arduino開發(fā)板，將最終得到的電壓值顯示在LCD屏上；并通過(guò)LabVIEW顯示波形變化，可以完成呼吸的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過(guò)WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體呼吸信號(hào)的穩(wěn)定測(cè)量。基于壓電原理的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2呼吸檢測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

Arduino開發(fā)板是本次設(shè)計(jì)的核心。與其它壓電傳感器相比，PVDF壓電薄膜傳感器具有良好的靜態(tài)特性，且具有較強(qiáng)的靈敏度，應(yīng)用在呼吸信號(hào)的測(cè)量中具有很大的優(yōu)勢(shì)。傳感器電路使用PVDF壓電傳感器，用于呼吸信號(hào)的采集。由于人體呼吸信號(hào)較微小，直接測(cè)量可能數(shù)值不太準(zhǔn)確且不易于觀察，在電路中也可能伴有干擾信號(hào)影響測(cè)量數(shù)值。因此，本設(shè)計(jì)采用電荷放大電路，將收集的呼吸信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為合適的電信號(hào)，并將放大后的電信號(hào)傳給開發(fā)板。

（一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)如圖3所示。電源主要是給單片機(jī)供電，通過(guò)USB線連接實(shí)現(xiàn)。主控制器是整個(gè)呼吸檢測(cè)系統(tǒng)中最重要的一部分，采用Arduino開發(fā)板實(shí)現(xiàn)。人體的呼吸信號(hào)是通過(guò)人體在呼吸時(shí)腹部或胸腔有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，對(duì)壓電薄膜傳感器產(chǎn)生一個(gè)擠壓力來(lái)獲得。呼吸信號(hào)采集模塊將采集到的信號(hào)傳送給Arduino開發(fā)板，處理后的數(shù)字量顯示在LCD顯示屏上，WIFI模塊將采集到的呼吸信號(hào)上傳至云端。

圖3 系統(tǒng)硬件總體框圖

◆ 主控芯片Arduino作為智能系統(tǒng)的底層控制芯片，下位機(jī)程序可通過(guò)Arduino IDE燒錄完成。Arduino可通過(guò)兩種不同方式供電，一是利用USB與串口連接供電，一是利用USB與串口連接供電，二是通過(guò)VIN、GND外接穩(wěn)壓5 V工作電源。相比于只有單獨(dú)的一塊芯片的AT89C51單片機(jī)，Arduino開發(fā)版則相當(dāng)于一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，不需要其它電路也可工作。此外，AT89C51單片機(jī)引腳較多，芯片接線多，需要單獨(dú)的程序軟件才可燒寫，而Arduino開發(fā)版不需要單獨(dú)的燒錄器，只需要USB線就可以完成下載，輕松上手，易懂易學(xué)。

所以Arduino開發(fā)板在電子產(chǎn)品制作中有較大的優(yōu)勢(shì)，更易于上手操作，在程序的燒錄中也較為方便。更為重要的是其自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以直接將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

◆EPS8266WIFI模組

為了滿足設(shè)計(jì)要求，WIFI選用的是ATK-esp8266模塊，其主要優(yōu)勢(shì)是能耗很低，且非常適合電池供電。設(shè)計(jì)中采用ATK-ESP8266模塊將采集到的呼吸信號(hào)數(shù)據(jù)上傳到云端。實(shí)物圖如圖4所示。

圖4ATK-ESP8266模塊實(shí)物圖

◆電荷放大電路模塊

電荷放大電路等效電路如圖5所示。電荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系的測(cè)量放大電路。此次設(shè)計(jì)采用的壓電傳感器，可將一些測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)輸出(如本設(shè)計(jì)中傳感器將采集的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)輸出),再通過(guò)電荷放大電路輸出放大的電壓信號(hào)。圖6為電荷放大模塊原理圖，其中展示了各電容、電阻的具體取值。

圖5電荷放大電路等效電路圖

圖6 電荷放大模塊原理圖

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)如圖7所示。利用Arduino軟件程序代碼進(jìn)行器件的初始化、以及LCD顯示屏顯示管理等，并將編譯無(wú)誤后的程序燒錄進(jìn)對(duì)應(yīng)的硬件部分。本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)呼吸檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，其是為了呼吸檢測(cè)系統(tǒng)而存在的。

圖6 呼吸檢測(cè)系統(tǒng)軟件整體框架

（三）系統(tǒng)實(shí)物搭建Arduino模塊與LCD1602屏的引腳連接方法有兩種：一是兩個(gè)模塊的引腳直接連接，但這種方法在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)引腳不夠用的問(wèn)題；二是兩個(gè)模塊通過(guò)面板來(lái)轉(zhuǎn)接，其優(yōu)點(diǎn)是有利于引腳的使用以及接線的美觀。Arduino模塊與LCD1602模塊的連接如圖8所示。在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，若能在顯示模塊顯示初始化的字符串，則說(shuō)明LCD寫入數(shù)據(jù)。

圖8Arduino模塊與LCD1602模塊的連接

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用母線、公線將壓電薄膜傳感器、電荷放大電路模塊、Arduino開發(fā)板等實(shí)物按照引腳連接起來(lái)。所有接線以及供電無(wú)誤后，將程序代碼下載到實(shí)物中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。TK-ESP8266與Arduino的連接示意如圖9所示。

圖9ATK-ESP8266與Arduino的連接

03

上位機(jī)呼吸數(shù)據(jù)顯示

LabVIEW是NI公司推出的上位機(jī)圖形化編程軟件，圖形化編程方式簡(jiǎn)單易學(xué)，可以極大地提高編程效率。◆上位機(jī)LabVIEW顯示

如果某一信號(hào)達(dá)到傅里葉展開的條件，就可以用無(wú)限多個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)之和來(lái)進(jìn)行描述，并且每一個(gè)正弦信號(hào)的頻率、相位和幅值集組成了該信號(hào)的頻譜。從圖10-圖12中可見(jiàn)，被測(cè)試者的呼吸信號(hào)波形圖、呼吸信號(hào)幅度頻譜及呼吸信號(hào)相位頻譜。信號(hào)頻譜圖是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域內(nèi)的描述。

圖10呼吸信號(hào)顯示圖

從圖10可以了解到被測(cè)試者的呼吸信號(hào)顯示圖，了解到被測(cè)試者在測(cè)試時(shí)間內(nèi)的呼吸信號(hào)變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將PVDF傳感器貼于被測(cè)者腹部，經(jīng)過(guò)電路處理，可以得到被測(cè)者的呼吸信號(hào)圖。

圖11呼吸信號(hào)幅度頻譜圖

從圖11可以了解到被測(cè)試者的呼吸信號(hào)幅度頻譜圖。正弦信號(hào)不同頻率的幅值描述的圖稱為幅值頻譜圖。通過(guò)處理LabVIEW程序采集到的被測(cè)者呼吸信號(hào)，得到被測(cè)者的呼吸信號(hào)的幅度頻譜圖，觀察被測(cè)者的呼吸信號(hào)。

圖12呼吸信號(hào)相位頻譜圖

圖12為被測(cè)試者的呼吸信號(hào)幅度頻譜圖。正弦信號(hào)不同頻率的相位描述圖形稱為相位頻譜圖。◆機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)機(jī)智云是一個(gè)綜合的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，為開發(fā)者提供了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自助開發(fā)工具、設(shè)備遠(yuǎn)程操控管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、第三方數(shù)據(jù)整合、硬件社交化等技術(shù)服務(wù)，也為智能硬件廠家提供一站式物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和運(yùn)維服務(wù)，縮短了智能硬件產(chǎn)品開發(fā)周期，快速實(shí)現(xiàn)智能化。

該平臺(tái)還提供了豐富的自助開發(fā)工具和后臺(tái)技術(shù)支持服務(wù)，幫助開發(fā)者輕松構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用程序和功能。同時(shí)，它還提供了設(shè)備遠(yuǎn)程操控管理功能，使用戶能夠通過(guò)云端與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行通信和控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以給虛擬設(shè)備到移動(dòng)端的數(shù)據(jù)互現(xiàn)。移動(dòng)端通過(guò)發(fā)送控制指令，經(jīng)過(guò)云端處理將數(shù)據(jù)在虛擬設(shè)備中展現(xiàn)，虛擬設(shè)備也可以通過(guò)發(fā)送指令將數(shù)據(jù)體現(xiàn)在移動(dòng)端。圖13展示了呼吸信號(hào)上傳至云端的信號(hào)圖。設(shè)計(jì)中將PVDF壓電薄膜傳感器貼于被測(cè)試者的腹部，數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)電路處理模塊后，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至云端。

圖12 呼吸信號(hào)上傳云端圖

04

總 結(jié)

基于壓電原理的呼吸檢測(cè)系統(tǒng)具有較為深遠(yuǎn)的研究意義，為了規(guī)避人體潛意識(shí)或者無(wú)意識(shí)的運(yùn)動(dòng)給呼吸檢測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)的干擾，采取使用多塊PVDF壓電薄膜傳感器同時(shí)采集呼吸信號(hào)，可以較好程度的實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)的檢測(cè)。

再加上各種電阻電容，實(shí)現(xiàn)了人體心率的計(jì)數(shù)及顯示功能。此呼吸檢測(cè)系統(tǒng)采用壓電傳感器實(shí)現(xiàn)人體呼吸信號(hào)的測(cè)量，能夠保證對(duì)人體呼吸信號(hào)測(cè)量的精準(zhǔn)性和簡(jiǎn)便性，且價(jià)格實(shí)惠，具有廣闊的應(yīng)用前景。