基于压力传感器的婴儿呛奶窒息监测系统的设计

来源:用户上传      作者:汤少娴　植文浩　莫忠

　　摘 要：本文基于压力传感器设计了一种防止婴儿呛奶窒息的睡眠呼吸监测系统。监测系统由婴儿可穿戴设备和单片机主控芯片两个部分组成。穿戴设备上主要是HKH-11C数字呼吸传感器，通过压电材料在人体腹部检测人呼吸产生的腹部收缩和舒张压力的变化来采集婴儿的呼吸信号，经过前置放大、信号调理、幅度调整、AD、USB通信等电路，输出呼吸波形数据，然后通过数据接口与单片机进行数据的传送与接收，实现婴儿呛奶窒息的及时监测。该婴儿呛奶窒息的呼吸监测系统可以实时地监测到婴儿在睡眠时的呼吸波，并且在婴儿发生呛奶时可发生警报。
　　关键词：监测系统;压电传感器;窒息
　　一、绪论
　　婴儿的健康成长对一个家庭的重要性不言而喻，对婴儿进行必要的监护能够促进婴儿健康成长。然而，婴儿呛奶窒息导致死亡的事件频频发生。婴儿经常会出现呛奶现象，因为婴儿的胃容积比较小、贲门括约肌还没发育成熟，关闭不紧，以至奶水逆流。由人体的气管结构可知，人体的食道开口与气管开口在咽喉部的位置是相通的，这样会导致婴儿在呛奶时奶水极其容易逆流到气管，容易导致吸入性肺炎，甚至奶汁堵塞了气道，发生呼吸困难和缺氧窒息死亡，而发生呛奶的最佳抢救时间极短，如抢救不及时极易造成婴儿窒息死亡[1-3]。另外，呛奶窒息的情况大多出现在婴儿睡觉的时候。在日常生活当中，婴儿是一种特殊的人群，他们没有形成完整的意识，尚未具有自主表达个人意愿的能力，所以监护人往往只能利用婴儿发出的哭泣声作为信号去查看婴儿是否处于不正常的状态。但是，监护人很难做到对婴儿的24小时无间歇照看，特别是晚上监护人也处于深度睡眠时。因此，在窒息的状态下婴儿很难通过哭啼的方式去引起监护人的注意。若监护人没有及时察觉到婴儿发生窒息，在短短的幾分钟内婴儿便会因为窒息缺氧造成不可逆的脑损伤，严重时甚至会有生命危险。因此，通过技术手段实现对婴儿呛奶窒息的预防是非常有必要的[4]。
　　呼吸是人体的重要生理过程，呼吸有两种方式，一种是腹式呼吸，还有一种是胸式呼吸。婴儿、儿童以及男性的呼吸方式都是以腹式呼吸为主的，所以在初睡时腹式呼吸比较重，肚子会起伏，这是正常现象。呼吸时主要可见腹部起伏是因为呼吸肌以膈肌运动为主。因此，可通过监测婴儿腹部变化来判断其呼吸情况，并结合技术手段实现对婴儿呛奶窒息进行预防[5-7]。
　　本文以MSP430芯片作为主控制器，压力传感器为信号采集模块。开发一款防止婴儿呛奶窒息的呼吸监测系统。通过USB数据线将传感器和单片机结合在一起，形成数据输入处理系统。单片机将传感器采集的数字信号加以处理，通过无线数据传输模块把呼吸信号数据传输到蜂鸣器，实现报警预防。
　　二、系统总体设计
　　目前，国内市场关于婴儿呛奶的监测装置主要基于氧气浓度、二氧化碳浓度的检测。本文设计的系统主要包括两大部分，一部分是对婴儿呼吸状态检测的信息采集模块，采用压力传感器直接采集腹部呼吸信号;另一部分是对所接收数据进行分析处理，并控制报警的实时监测模块，采集的数据经过前置放大、信号调理、幅度调整、A/D转换、USB通信等电路，输出呼吸波形数据，然后通过数据接口与单片机进行数据的传送与接收，实现婴儿呛奶窒息的及时监测。系统整体设计框图如图1所示。
　　
　　三、系统硬件设计
　　（一）数据处理模块
　　MSP430系列单片机是美国德州仪器公司生产的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。可以根据实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上。具有处理能力强、运算速度快、超低功耗等特点。
　　（二）呼吸信号采集模块
　　根据工作原理的不同，主要有压电、压容和压阻三种压力传感器。而压电传感器利用压电材料的正压电效应，如图2所示，当压电材料受到外力的作用时，内部就会产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，如果当外力作用的方向发生改变的时候，电荷的极性也会随之发生变换。
　　
　　本文采用高分子压电材料感应由于人体呼吸产生的腹部压力变化信号，模拟电压信号输出。用腰带将呼吸传感器固定在肚脐上方或下方，由于呼吸时产生的腹部起伏，对传感器压电感应面施加了变化的压力，传感器将这个变化的应力转换成模拟电压信号，如图3所示。
　　
　　（三）模/数转换模块
　　本系统采用的集成芯片为MSP430单片机内部集成了模/数转换模块。ADC10是MSP430单片机上模/数转换器，其转换位数为10比特，该模块内部是一个SAR型的AD内核，可以在片内产生参考电压，并且具有数据传输控制器。数据传输控制器能够在CPU不参与的情况下，完成AD数据内存任意位置的传输。
　　（四）蓝牙无线传输模块
　　HC-08蓝牙串口通信模块是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE蓝牙协议的数传模块。设备低成本的收发器芯片，传输距离近、低功耗，现在的智能手机大部分都有蓝牙通信的功能，呼吸传感器可以配备专用的蓝牙模块与手机进行数据的传送，蓝牙模块功耗低，特别适合于便携式设备。
　　（五）蜂鸣报警模块
　　传感器采集的信号，通过单片机处理判断呼吸的运动情况，从而计算出呼吸的周期，监测到有呼吸暂停现象发生，且持续时间超过设置的阈值（10s）时，就会触发蜂鸣器进行报警，报警电路如图4所示。
　　
　　四、系统软件设计
　　采用C语言对MSP430主控芯片进行编程，系统原理框架流程如图5所示。单片机接收到传感器模块采集的数据后，对其进行处理，若发生呼吸信号暂停现象（其功率小于设置的阈值，如3W），且持续该状态的时间超过设置的阈值（10s），则启动报警，完成一次监测，否则，直接跳转到结束，继续进行下一次监测。 　　
　　五、测试结果
　　将传感器固定在婴儿的腰腹位置，婴儿呼吸时由于腹部的运动，使压力传感器受到其应变力的作用产生相对应的电信号，利用放大电路对这种信号进行放大，最后输出数字信号传送到单片机。采集到的信号如图6（a）所示，婴儿在熟睡时候的呼吸波是比较平稳且有规律的;出现异常时的呼吸波信号如图6（b）所示。
　　
　　六、结语
　　本文设计了一款体积小、价格便宜、操作简单的防止婴儿呛奶窒息的监测系统，该装置可以在婴儿发生呛奶的时候发出警报并及时向家长反映婴儿的状态，提醒身边的人及时采取急救措施。在实际应用中有重要的意义，具有良好的市场要求和前景。
　　参考文献：
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　　[4]李宏恩，周晋阳，郝文延.一种可穿戴呼吸实时检测系统的设计[J].科技通报，2017，33（6）：78-81.
　　[5]赵佳佳.基于STM32的睡眠呼吸监测仪[J].现代计算机，2017（02）：77-80.
　　[6]刘一，张琴，任占兵.一种新型睡眠呼吸暂停检测系统的设计[J].电子器件，2015，38（03）：636-638.
　　[7]贾学斌，廖曦文，王云峰.基于PVDF压电薄膜的阻塞型呼吸暂停监测方法[J].传感器与微系统，2019，38（05）：143-145.
　　基金项目：广东省中山大学新华学院2018年度大学生创新创业训练计划项目（201813902072）资助
　　作者简介：汤少娴（1997-），女，汉族，广东广州人，本科，研究方向：医疗仪器;植文浩（1997-），男，汉族，广东广州人，本科，研究方向：医疗仪器。
　　*通訊作者：莫忠（1985-），男，汉族，湖南邵阳人，硕士，讲师，研究方向：医学电子技术及生物传感器。
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