便携式健康监护系统设计与实现

第一章 绪论

随着老龄化加剧与慢性病管理需求提升，传统医院集中式监护难以满足居家、户外、运动等场景下的连续健康监测需求。便携式健康监护系统以微型化、低功耗、可穿戴为核心特征，集成多生理参数采集、智能分析、异常预警与远程交互功能，可实时监测心率、血压、血氧、体温、体动等关键指标，为个人健康管理、慢病康复、运动健康与应急救援提供数据支撑。本系统旨在实现生理信号精准采集、本地实时显示、数据无线传输、异常自动报警与云端健康管理，具备体积小、续航长、佩戴舒适、操作简便的特点，适用于家庭、社区、运动、养老与应急医疗等场景，推动健康监护从“医院端”向“个人端”延伸。

第二章 系统设计原理与整体架构

系统采用“感知层—处理层—通信层—应用层”四层架构，实现从生理信号采集到健康管理的闭环。感知层由微型传感器组成，包括心率/血氧传感器（PPG）、体温传感器、三轴加速度传感器（体动/跌倒）、血压模块等，负责多参数实时采集；处理层以低功耗单片机（如STM32L系列）为核心，完成信号滤波、特征提取、参数计算与本地逻辑判断；通信层通过蓝牙（BLE）或Wi‑Fi将数据上传至手机APP/云端平台，支持远程查看与预警推送；应用层包括本地OLED/LCD显示、手机APP与云端管理平台，提供数据可视化、历史趋势、异常提醒、健康报告与医生联动功能。

系统工作原理为：传感器持续采集生理信号，经处理层降噪与算法解析后得到心率、血氧、体温、步数等指标；本地实时显示并与安全阈值对比，异常时立即声光/振动报警；同时通过无线模块将数据上传至云端，用户与医护人员可远程查看实时数据与历史曲线，实现“监测—分析—预警—干预”一体化健康管理。

第三章 系统硬件与软件设计

3.1 硬件设计

主控采用STM32L431低功耗单片机，支持休眠与快速唤醒，满足长续航需求。生理采集模块：心率/血氧选用MAX30102或MAX30105（PPG光电容积法）；体温采用DS18B20或NTC热敏电阻；体动/跌倒检测采用ADXL345三轴加速度计；可选微型电子血压模块（示波法）实现血压测量。显示模块采用0.96寸OLED屏，低功耗、高对比度。报警模块由蜂鸣器与振动电机组成，异常时本地提醒。通信模块采用nRF24L01或BLE 5.0模块（如JDY‑31），实现与手机稳定连接。供电采用3.7V锂电池（300–500mAh），支持USB充电，待机功耗低至μA级，单次充电可连续工作24–72小时。

3.2 软件设计

软件基于Keil MDK开发，采用模块化设计。主程序完成传感器初始化、数据采集、滤波处理、参数计算、显示刷新、阈值判断与通信任务。生理信号处理包括：PPG信号经滑动平均、小波去噪后提取心率与血氧；体温线性校准；加速度计数据积分计算步数，通过阈值与姿态判断跌倒风险。蓝牙通信实现数据分包发送与指令接收，支持实时数据上传与参数配置。手机APP（基于Android/iOS）提供实时曲线、历史数据、异常报警、健康报告与数据导出；云端平台支持多用户管理、数据存储、趋势分析与医生远程会诊接口。系统支持低功耗模式，无操作时自动休眠，按键/报警事件唤醒。

第四章 系统测试与总结展望

系统测试表明：心率误差≤±3次/分，血氧误差≤±2%，体温误差≤±0.3℃，跌倒检测准确率高；OLED显示清晰，响应迅速；蓝牙连接稳定，传输延迟低；异常报警及时，本地与APP双重提醒；连续工作时间满足日常佩戴需求；整体体积小巧、佩戴舒适，适合腕带/胸贴/腰带等穿戴形式。系统在运动监测、居家养老、术后康复等场景表现良好。

本便携式健康监护系统实现了多生理参数的连续、实时、移动监测，解决了传统监护设备笨重、布线复杂、场景受限的问题。未来可扩展血糖、心电（ECG）、呼吸、体脂等更多参数，引入AI算法实现心律失常、睡眠分期、情绪压力等智能分析，接入医院HIS系统实现远程诊疗闭环，并优化柔性材料与低功耗设计，向更轻量、更智能、更舒适的可穿戴健康终端方向发展。


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