本文基于Arduino開發(fā)板，設計了基于壓電原理的呼吸檢測系統(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，實現(xiàn)了無接觸式檢測到呼吸信號。該傳感器不僅可以避免使用者在使用時的尷尬，也減少了使用者的看病時間和費用，同時還可以更加緊湊有效的使用醫(yī)護資源。設計過程中將數(shù)據(jù)傳入云端，為使用者及時查看提供方便。

01

引 言

作為人體重要的生命活動之一，呼吸對于維持身體正常的生理代謝至關重要。隨著生活水平的提高，人們對呼吸信號等生理信號的關注度也增加，提前檢測并積極防治呼吸相關問題變得越來越重要。因此，對人體呼吸信號狀況進行檢測具有極其重要的意義。在一些特殊場合，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時監(jiān)護。此外，非接觸式呼吸檢測在軍事和醫(yī)學領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，人們對醫(yī)療方面的需求更加傾向于方便、快捷和精準，而不僅僅是在身體不適時才在醫(yī)院進行檢測。因此，呼吸監(jiān)測設備的使用方便、價格合理和安全性高等特點成為使用者的首選要求。◆呼吸檢測原理人體呼吸是全身組織細胞傳送氧氣并排出二氧化碳氣體的過程。如圖1所示，呼吸過程總體包括外呼吸、氣體在血液中運輸以及內(nèi)呼吸3個基本環(huán)節(jié)。根據(jù)資料數(shù)據(jù)表明，人體呼吸信號的頻率范圍約為 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人體的呼吸過程示意圖

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

02

系統(tǒng)總體設計

本設計利用壓電薄膜傳感器采集人體呼吸信號，經(jīng)過電荷放大模塊以及Arduino開發(fā)板，將最終得到的電壓值顯示在LCD屏上；并通過LabVIEW顯示波形變化，可以完成呼吸的實時監(jiān)測；通過WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對人體呼吸信號的穩(wěn)定測量?；趬弘娫淼暮粑鼨z測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2呼吸檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

Arduino開發(fā)板是本次設計的核心。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，且具有較強的靈敏度，應用在呼吸信號的測量中具有很大的優(yōu)勢。傳感器電路使用PVDF壓電傳感器，用于呼吸信號的采集。由于人體呼吸信號較微小，直接測量可能數(shù)值不太準確且不易于觀察，在電路中也可能伴有干擾信號影響測量數(shù)值。因此，本設計采用電荷放大電路，將收集的呼吸信號通過傳感器轉(zhuǎn)換為合適的電信號，并將放大后的電信號傳給開發(fā)板。

（一）系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)的硬件方案設計如圖3所示。電源主要是給單片機供電，通過USB線連接實現(xiàn)。主控制器是整個呼吸檢測系統(tǒng)中最重要的一部分，采用Arduino開發(fā)板實現(xiàn)。人體的呼吸信號是通過人體在呼吸時腹部或胸腔有規(guī)律的運動，對壓電薄膜傳感器產(chǎn)生一個擠壓力來獲得。呼吸信號采集模塊將采集到的信號傳送給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，下位機程序可通過Arduino IDE燒錄完成。Arduino可通過兩種不同方式供電，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VIN、GND外接穩(wěn)壓5 V工作電源。相比于只有單獨的一塊芯片的AT89C51單片機，Arduino開發(fā)版則相當于一個單片機系統(tǒng)，不需要其它電路也可工作。此外，AT89C51單片機引腳較多，芯片接線多，需要單獨的程序軟件才可燒寫，而Arduino開發(fā)版不需要單獨的燒錄器，只需要USB線就可以完成下載，輕松上手，易懂易學。

所以Arduino開發(fā)板在電子產(chǎn)品制作中有較大的優(yōu)勢，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

為了滿足設計要求，WIFI選用的是ATK-esp8266模塊，其主要優(yōu)勢是能耗很低，且非常適合電池供電。設計中采用ATK-ESP8266模塊將采集到的呼吸信號數(shù)據(jù)上傳到云端。實物圖如圖4所示。

圖4ATK-ESP8266模塊實物圖

◆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系的測量放大電路。此次設計采用的壓電傳感器，可將一些測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電荷信號輸出(如本設計中傳感器將采集的壓力信號轉(zhuǎn)換為電荷信號輸出),再通過電荷放大電路輸出放大的電壓信號。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)軟件設計

系統(tǒng)的軟件方案設計如圖7所示。利用Arduino軟件程序代碼進行器件的初始化、以及LCD顯示屏顯示管理等，并將編譯無誤后的程序燒錄進對應的硬件部分。本設計主要是針對呼吸檢測系統(tǒng)進行調(diào)試，其是為了呼吸檢測系統(tǒng)而存在的。

圖6 呼吸檢測系統(tǒng)軟件整體框架

（三）系統(tǒng)實物搭建Arduino模塊與LCD1602屏的引腳連接方法有兩種：一是兩個模塊的引腳直接連接，但這種方法在使用過程中會出現(xiàn)引腳不夠用的問題；二是兩個模塊通過面板來轉(zhuǎn)接，其優(yōu)點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，若能在顯示模塊顯示初始化的字符串，則說明LCD寫入數(shù)據(jù)。

圖8Arduino模塊與LCD1602模塊的連接

在實驗過程中，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)板等實物按照引腳連接起來。所有接線以及供電無誤后，將程序代碼下載到實物中進行數(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

上位機呼吸數(shù)據(jù)顯示

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

如果某一信號達到傅里葉展開的條件，就可以用無限多個不同頻率的正弦信號之和來進行描述，并且每一個正弦信號的頻率、相位和幅值集組成了該信號的頻譜。從圖10-圖12中可見，被測試者的呼吸信號波形圖、呼吸信號幅度頻譜及呼吸信號相位頻譜。信號頻譜圖是對信號進行頻域內(nèi)的描述。

圖10呼吸信號顯示圖

從圖10可以了解到被測試者的呼吸信號顯示圖，了解到被測試者在測試時間內(nèi)的呼吸信號變化。實驗過程中，將PVDF傳感器貼于被測者腹部，經(jīng)過電路處理，可以得到被測者的呼吸信號圖。

圖11呼吸信號幅度頻譜圖

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

圖12呼吸信號相位頻譜圖

圖12為被測試者的呼吸信號幅度頻譜圖。正弦信號不同頻率的相位描述圖形稱為相位頻譜圖。◆機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺機智云是一個綜合的物聯(lián)網(wǎng)設計平臺，為開發(fā)者提供了物聯(lián)網(wǎng)設備的自助開發(fā)工具、設備遠程操控管理、數(shù)據(jù)存儲分析、第三方數(shù)據(jù)整合、硬件社交化等技術(shù)服務，也為智能硬件廠家提供一站式物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)和運維服務，縮短了智能硬件產(chǎn)品開發(fā)周期，快速實現(xiàn)智能化。

該平臺還提供了豐富的自助開發(fā)工具和后臺技術(shù)支持服務，幫助開發(fā)者輕松構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)設備應用程序和功能。同時，它還提供了設備遠程操控管理功能，使用戶能夠通過云端與物聯(lián)網(wǎng)設備進行通信和控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和操作。

機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺可以給虛擬設備到移動端的數(shù)據(jù)互現(xiàn)。移動端通過發(fā)送控制指令，經(jīng)過云端處理將數(shù)據(jù)在虛擬設備中展現(xiàn)，虛擬設備也可以通過發(fā)送指令將數(shù)據(jù)體現(xiàn)在移動端。圖13展示了呼吸信號上傳至云端的信號圖。設計中將PVDF壓電薄膜傳感器貼于被測試者的腹部，數(shù)據(jù)采集模塊經(jīng)電路處理模塊后，實時將數(shù)據(jù)傳送至云端。

圖12 呼吸信號上傳云端圖

04

總 結(jié)

基于壓電原理的呼吸檢測系統(tǒng)具有較為深遠的研究意義，為了規(guī)避人體潛意識或者無意識的運動給呼吸檢測系統(tǒng)帶來的干擾，采取使用多塊PVDF壓電薄膜傳感器同時采集呼吸信號，可以較好程度的實現(xiàn)呼吸信號的檢測。

再加上各種電阻電容，實現(xiàn)了人體心率的計數(shù)及顯示功能。此呼吸檢測系統(tǒng)采用壓電傳感器實現(xiàn)人體呼吸信號的測量，能夠保證對人體呼吸信號測量的精準性和簡便性，且價格實惠，具有廣闊的應用前景。