摘要:本文基于Arduino開發闆，設計了基于壓電原理的呼吸檢測系統。系統采用柔性聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)壓電薄膜傳感器采集呼吸信号，實作了無接觸式檢測到呼吸信号。該傳感器不僅可以避免使用者在使用時的尴尬，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護資源。設計過程中将資料傳入雲端，為使用者及時檢視提供友善。
0 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。随着生活水準的提高，人們對呼吸信号等生理信号的關注度也增加，提前檢測并積極防治呼吸相關問題變得越來越重要。是以，對人體呼吸信号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，傳統的貼片式傳感器與皮膚直接接觸的方法可能不适用于實時監護。
此外，非接觸式呼吸檢測在軍事和醫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揮着重要作用。目前，人們對醫療方面的需求更加傾向于友善、快捷和精準，而不僅僅是在身體不适時才在醫院進行檢測。是以，呼吸監測裝置的使用友善、價格合理和安全性高等特點成為使用者的首選要求。
1 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内呼吸3個基本環節。根據資料資料表明，人體呼吸信号的頻率範圍約為 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。
圖1 人體的呼吸過程示意圖
壓電效應(壓電原理)是某些電媒體在沿某個方向上，受到外在擠壓力作用下而變形時，其内部發生的極化現象。同時，在其兩個相對表面上出現極性相反的電荷信号。當外在擠壓力去除以後，若能恢複到不帶電的狀态，則稱此為正壓電效應。相反，當在電媒體的極化方向上添加一個電場力，若電場去除後，電媒體的變形随之消失，則稱為逆壓電效應。
2 系統設計
本設計利用壓電薄膜傳感器采集人體呼吸信号，經過電荷放大子產品以及Arduino開發闆，将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測；通過WIFI子產品上傳資料，實作對人體呼吸信号的穩定測量。基于壓電原理的呼吸檢測系統總體架構如圖2所示。
圖2 呼吸檢測系統整體架構
Arduino開發闆是本次設計的核心。與其它壓電傳感器相比，PVDF壓電薄膜傳感器具有良好的靜态特性，且具有較強的靈敏度，應用在呼吸信号的測量中具有很大的優勢。
傳感器電路使用PVDF壓電傳感器，用于呼吸信号的采集。由于人體呼吸信号較微小，直接測量可能數值不太準确且不易于觀察，在電路中也可能伴有幹擾信号影響測量數值。是以，本設計采用電荷放大電路，将收集的呼吸信号通過傳感器轉換為合适的電信号，并将放大後的電信号傳給開發闆。
2.1 系統硬體設計
系統的硬體方案設計如圖3所示。電源主要是給單片機供電，通過USB線連接配接實作。主要制器是整個呼吸檢測系統中最重要的一部分，采用Arduino開發闆實作。人體的呼吸信号是通過人體在呼吸時腹部或胸腔有規律的運動，對壓電薄膜傳感器産生一個擠壓力來獲得。呼吸信号采集子產品将采集到的信号傳送給Arduino開發闆，處理後的數字量顯示在LCD顯示屏上，WIFI子產品将采集到的呼吸信号上傳至雲端。
2.1.1 主要晶片
Arduino作為智能系統的底層控制晶片，下位機程式可通過Arduino IDE燒錄完成。Arduino可通過兩種不同方式供電，一是利用USB與序列槽連接配接供電，一是利用USB與序列槽連接配接供電，二是通過VIN、GND外接穩壓5 V工作電源。相比于隻有單獨的一塊晶片的AT89C51單片機，Arduino開發版則相當于一個單片機系統，不需要其它電路也可工作。此外，AT89C51單片機引腳較多，晶片接線多，需要單獨的程式軟體才可燒寫，而Arduino開發版不需要單獨的燒錄器，隻需要USB線就可以完成下載下傳，輕松上手，易懂易學。
是以Arduino開發闆在電子産品制作中有較大的優勢，更易于上手操作，在程式的燒錄中也較為友善。更為重要的是其自帶的模數轉換功能，可以直接将采集到的資料轉換為數字量，友善資料的後續處理。
圖3 系統硬體總體框圖
2.1.2 EPS8266WIFI模組
為了滿足設計要求，WIFI選用的是ATK-esp8266子產品，其主要優勢是能耗很低，且非常适合電池供電。設計中采用ATK-ESP8266子產品将采集到的呼吸信号資料上傳到雲端。
2.1.3 電荷放大電路子產品
電荷放大電路等效電路如圖4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，可将一些測量資料轉換成電荷信号輸出(如本設計中傳感器将采集的壓力信号轉換為電荷信号輸出),再通過電荷放大電路輸出放大的電壓信号。圖5為電荷放大子產品原理圖，其中展示了各電容、電阻的具體取值。
圖4 電荷放大電路等效電路圖
圖5 電荷放大子產品原理圖
2.2 系統軟體設計
系統的軟體方案設計如圖6所示。利用Arduino軟體程式代碼進行器件的初始化、以及LCD顯示屏顯示管理等，并将編譯無誤後的程式燒錄進對應的硬體部分。本設計主要是針對呼吸檢測系統進行調試，其是為了呼吸檢測系統而存在的。
圖6 呼吸檢測系統軟體整體架構
2.3 實物搭建
Arduino子產品與LCD1602屏的引腳連接配接方法有兩種：一是兩個子產品的引腳直接連接配接，但這種方法在使用過程中會出現引腳不夠用的問題；二是兩個子產品通過面闆來轉接，其優點是有利于引腳的使用以及接線的美觀。Arduino子產品與LCD1602子產品的連接配接如圖7所示。在系統調試時，若能在顯示子產品顯示初始化的字元串，則說明LCD寫入資料。
在實驗過程中，利用母線、公線将壓電薄膜傳感器、電荷放大電路子產品、Arduino開發闆等實物按照引腳連接配接起來。所有接線以及供電無誤後，将程式代碼下載下傳到實物中進行資料的采集。TK-ESP8266與Arduino的連接配接示意如圖8所示。
WIFI子產品配置成功後，連接配接其它硬體子產品并用指尖撥動壓電傳感器，給壓電傳感器一個擠壓力，壓電傳感器産生一個電荷量，Arduino開發闆将資料處理後通過WIFI子產品傳至雲端，這時會在移動端看到資料信号的變化。
圖7 Arduino子產品與LCD1602子產品的連接配接
圖8 ATK-ESP8266與Arduino的連接配接
3 上位機呼吸資料顯示
LabVIEW是NI公司推出的上位機圖形化程式設計軟體，圖形化程式設計方式簡單易學，可以極大地提高程式設計效率。
3.1 上位機LabVIEW顯示
如果某一信号達到傅裡葉展開的條件，就可以用無限多個不同頻率的正弦信号之和來進行描述，并且每一個正弦信号的頻率、相位和幅值集組成了該信号的頻譜。從圖9～圖11中可見，被測試者的呼吸信号波形圖、呼吸信号幅度頻譜及呼吸信号相位頻譜。信号頻譜圖是對信号進行頻域内的描述。
圖9 呼吸信号顯示圖
從圖9可以了解到被測試者的呼吸信号顯示圖，了解到被測試者在測試時間内的呼吸信号變化。實驗過程中，将PVDF傳感器貼于被測者腹部，經過電路處理，可以得到被測者的呼吸信号圖。
圖10 呼吸信号幅度頻譜圖
從圖10可以了解到被測試者的呼吸信号幅度頻譜圖。正弦信号不同頻率的幅值描述的圖稱為幅值頻譜圖。通過處理LabVIEW程式采集到的被測者呼吸信号，得到被測者的呼吸信号的幅度頻譜圖，觀察被測者的呼吸信号。
圖11為被測試者的呼吸信号幅度頻譜圖。正弦信号不同頻率的相位描述圖形稱為相位頻譜圖。
圖11 呼吸信号相位頻譜圖
3.2 機智雲物聯網平台
機智雲是一個綜合的物聯網設計平台，為開發者提供了物聯網裝置的自助開發工具、裝置遠端操控管理、資料存儲分析、第三方資料整合、硬體社交化等技術服務，也為智能硬體廠家提供一站式物聯網開發和運維服務，縮短了智能硬體産品開發周期，快速實作智能化。
該平台還提供了豐富的自助開發工具和背景技術支援服務，幫助開發者輕松建構物聯網裝置應用程式和功能。同時，它還提供了裝置遠端操控管理功能，使使用者能夠通過雲端與物聯網裝置進行通信和控制，實作遠端監控和操作。
機智雲物聯網平台可以給虛拟裝置到移動端的資料互現。移動端通過發送控制指令，經過雲端處理将資料在虛拟裝置中展現，虛拟裝置也可以通過發送指令将資料展現在移動端。
圖12展示了呼吸信号上傳至雲端的信号圖。設計中将PVDF壓電薄膜傳感器貼于被測試者的腹部，資料采集子產品經電路處理子產品後，實時将資料傳送至雲端。
圖12 呼吸信号上傳雲端圖
4 結束語
基于壓電原理的呼吸檢測系統具有較為深遠的研究意義，為了規避人體潛意識或者無意識的運動給呼吸檢測系統帶來的幹擾，采取使用多塊PVDF壓電薄膜傳感器同時采集呼吸信号，可以較好程度的實作呼吸信号的檢測。
再加上各種電阻電容，實作了人體心率的計數及顯示功能。此呼吸檢測系統采用壓電傳感器實作人體呼吸信号的測量，能夠保證對人體呼吸信号測量的精準性和簡便性，且價格實惠，具有廣闊的應用前景。