CN115078304A - 一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统 - Google Patents

一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统 Download PDF

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刘向
房孝猛
陶治
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Abstract

本发明公开一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，涉及电化学检测领域，包括MEMS光谱传感核心；光PID的TVOCs传感核心；电化学传感核心；温湿度传感核心；MCU‑ESP32单片机核心部件；MCU‑STM32单片机核心部件；Wifi‑蓝牙数据传输模块；阿里云物联网模块，所述MEMS‑FPI传感器是一种超紧凑传感器，内置MEMS‑FPI可调谐滤光器，可以在单个封装中根据施加电压和砷化铟镓光电二极管改变其传输波长；同时，本发明在使用时，通过采用了基于ESP8266的WifiSOC模组实现阿里云的IoTStdio互联技术融合了包括可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测、光PID电离检测、电化学检测等技术在内的多种高精度气体探测手段，实现了肺病、肠胃病患者的自我诊断和医护人员实时远程监测患者的健康状况。

Description

一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统
技术领域
本发明涉及使用不同气体的不同光谱吸收峰而实施的光谱检测气体技术，该技术具体基于阿里云的IoT Stdio互联技术融合了包括可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测、光PID电离检测、电化学检测等技术。
背景技术
一直以来，对一些呼吸道、肺部、肠胃等人体内部器官出现疾病的患者采用的传统检测手段均需要使用对患者造成一定伤害的诊断方法，比如手术、X光、CT等。这些手段在一定程度可以提高对患者症状诊断的准确性，但在一定程度上是对患者的二次伤害。因此，通过对患者代谢出来与疾病相关的标志物进行测量，通过无创的体外诊断技术利用患者呼出的毒性气体进行检测与诊断可以提取人体的一些健康信息，显著减轻本人在常规医疗检测时的痛苦，是目前科学界研究的热点。患有肠胃或肺部疾病的病人呼气通常包含氮气、氧气、二氧化碳还会有一些含量极低的甲烷(浓度范围0-0.08ppm)、一氧化氮、甲醛、TVOCs(比如丙酮浓度范围0-1.5ppm)等气体，而这其中含量极低的CH4可用来表征胃部菌群，NO可用来表征肠胃炎症，甲醛和TVOCs可用来表征肺部健康状况。参考日本采用便携式气相色谱仪(OralChroma)检测患者口腔挥发性硫化物的质量浓度变化来判断口腔炎症，呼气检测仪器需具备几百甚至几十ppb级别的精度。
而现有较为知名的呼气医疗技术包括美国昆顿医疗、瑞士哈美顿医疗等公司的产品有传统电化学法、荧光法在内的现有检测技术存在精度低(分辨率>1ppm)、速度慢、体积较大等缺点，无法准确快速地测量患者呼出气体中毒性气体成分的含量，不满足医疗诊断对检测精度的要求，无法用于高精度的毒性气体检测与诊断领域。包括国内相关现代医疗技术起步稍晚，且技术仍有欠缺，以至于诊断的精度还不够。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，包括MEMS光谱传感核心；光PID的TVOCs传感核心；电化学传感核心；温湿度传感核心；MCU-ESP32单片机核心部件；MCU-STM32单片机核心部件；Wifi-蓝牙数据传输模块；阿里云物联网模块，所述MEMS-FPI传感器是一种超紧凑传感器，内置MEMS-FPI(法布里-珀罗干涉仪)可调谐滤光器，可以在单个封装中根据施加电压和砷化铟镓光电二极管改变其传输波长，光谱响应范围为1550～1850nm，结合可调谐二极管吸收光谱技术光谱痕量检测技术以0.5nm分辨率采集该波段的光电信号，安装在简单、紧凑的仪器中，用于测量材料的吸光度等，光PID的TVOCs传感核心，弥补了甲苯、丙酮等吸收光谱在远红外气体，电化学传感核心检测甲醛等光PID无法检测的气体，温湿度传感核心实时监测测试环境的温湿度，MCU-ESP32单片机核心部件、MCU-STM32单片机核心部件、Wifi-蓝牙数据传输模块、阿里云物联网模块基于MCU-ESP32单片机和MCU-STM32单片机构成双核运算处理，采用蓝牙传输数据和ESP8266的Wifi-SOC模组实现阿里云的IoT-Stdio互联技术对上述多种气体传感手段进行数据融合。
进一步地，所述MEMS-FPI光谱传感器采集光谱时采用了可调谐DFB激光器为核心的激光光谱检测技术，在对气体进行光谱测量时，能够在气体的吸收峰光谱处发射出稳定的激光，并符合朗伯比尔定律。
进一步地，所述可调谐二极管吸收光谱技术光谱痕量检测技术可通过所述的DFB激光器发射出固定波段的光谱，然后通入气体，气体会对光谱产生一定量的吸收，检测出通入气体前后的光谱数据变化。
进一步地，所述光PID的TVOCs传感核心采用光PID配合DOAS光谱技术检测包括丙酮、甲苯、丁酮在内的TVOCs残留气体。
进一步地，所述电化学传感核心采用电化学测试甲烷、一氧化氮等气体，光PID传感器和电化学传感器均是通过串口方式与MCU构建数据通信。
进一步地，所述Wifi模块基于ESP8266核心与所述MCU-STM32通过串口协议构建通信，并负责构建MCU数据与物联网数据的交互。
进一步地，所述物联网平台使用阿里云旗下的IoT-Stdio产品实现气体测试数据的互联及显示。
进一步地，所述MCU控制Wifi模块与所述物联网平台构建通信，所述的Wifi模块是通过MQTT协议与MQTT服务器实现双向连接，通过MQTT协议将信息上报云端，同时接收并执行物联网平台下发的命令。
进一步地，所述个人PC终端，通过MQTT协议的发布/订阅为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，利用阿里云IoT-Studio的前端界面，可将传感器采集到的数据统一由设备端经过物联网平台的规则引擎发送到PC端，实现数据实时可视化显示。
本发明的有益效果：
本发明采用了基于ESP8266的Wifi SOC模组实现阿里云的IoTStdio互联技术融合了包括可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测、光PID电离检测、电化学检测等技术在内的多种高精度气体探测手段，实现了肺病、肠胃病患者的自我诊断和医护人员实施远程监测患者的健康状况，减少工作量，大大提高了效率。同时也实现了多种气体ppb级别浓度与成分(包括甲烷、CO2、NO、VOCs在内)的检测，结合云平台提高可视化终端可以实现远程监测，满足了医疗检测对测量精度的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明结构示意图
图2为MEMS红外光谱传感器的外部结构、内部结构示意图
图3为电化学气体传感器和光PID传感器结构示意图
图4为图电化学气体传感器内部结构示意图
图5为光PID气体传感器内部结构示意图
图6为物联网云端平台的界面显示
图7为光谱传感器检测空气时的LabView测试截图
图8为光谱传感器检测2％浓度甲烷时的LabView测试截图
图9为光谱传感器所测得的一些甲烷光谱样本数据。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，如图所示，包括MEMS光谱传感核心(1)；光PID的TVOCs传感核心(2)；电化学传感核心(3)；温湿度传感核心(4)；MCU-ESP32单片机核心部件(5)；MCU-STM32单片机核心部件(6)；Wifi-蓝牙数据传输模块(7)；阿里云物联网模块(8)，其特征在于，所述MEMS-FPI传感器是一种超紧凑传感器，内置MEMS-FPI(法布里-珀罗干涉仪)可调谐滤光器，可以在单个封装中根据施加电压和砷化铟镓光电二极管改变其传输波长，光谱响应范围为1550～1850nm，结合可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测技术以0.5nm分辨率采集该波段的光电信号，安装在简单、紧凑的仪器中，用于测量材料的吸光度等，光PID的TVOCs传感核心(2)，弥补了甲苯、丙酮等吸收光谱在远红外气体，电化学传感核心(3)检测甲醛等光PID无法检测的气体，温湿度传感核心(4)实时监测测试环境的温湿度，MCU-ESP32单片机核心部件(5)、MCU-STM32单片机核心部件(6)、Wifi-蓝牙数据传输模块(7)、阿里云物联网模块(8)基于MCU-ESP32单片机和MCU-STM32单片机构成双核运算处理，采用蓝牙传输数据和ESP8266的Wifi-SOC模组实现阿里云的IoT-Stdio互联技术对上述多种气体传感手段进行数据融合。
MEMS-FPI光谱传感器采集光谱时采用了可调谐DFB激光器为核心的激光光谱检测技术，在对气体进行光谱测量时，能够在气体的吸收峰光谱处发射出稳定的激光，并符合朗伯比尔定律。
可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测技术可通过所述的DFB激光器发射出固定波段的光谱，然后通入气体，气体会对光谱产生一定量的吸收，检测出通入气体前后的光谱数据变化。
光PID的TVOCs传感核心采用光PID配合DOAS光谱技术检测包括丙酮、甲苯、丁酮在内的TVOCs残留气体。
电化学传感核心采用电化学测试甲烷、一氧化氮等气体，光PID传感器和电化学传感器均是通过串口方式与MCU构建数据通信。
Wifi模块基于ESP8266核心与所述MCU-STM32通过串口协议构建通信，并负责构建MCU数据与物联网数据的交互。
物联网平台使用阿里云旗下的IoT-Stdio产品实现气体测试数据的互联及显示。
MCU控制Wifi模块与所述物联网平台构建通信，所述的Wifi模块是通过MQTT协议与MQTT服务器实现双向连接，通过MQTT协议将信息上报云端，同时接收并执行物联网平台下发的命令。
个人PC终端，通过MQTT协议的发布/订阅为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，利用阿里云IoT-Studio的前端界面，可将传感器采集到的数据统一由设备端经过物联网平台的规则引擎发送到PC端，实现数据实时可视化显示。
下面结合具体的实施例，进一步的阐明本发明，应理解这些实施例仅说明本发明而不限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，具体包含(1)MEMS光谱传感核心；(2)光PID的TVOCs传感核心；(3)电化学传感核心；(4)温湿度传感核心；(5)MCU-ESP32单片机核心部件；(6)MCU-STM32单片机核心部件；(7)Wifi、蓝牙数据传输模块；(8)阿里云物联网模块。主要分为两个板块，两个板块的数据处理分别在两个板块的MCU中进行。板块一的核心运算部件ESP32控制板块一的其他各个模块并与之进行通信；MEMS感光传感器模块通过光谱吸收峰方法检测患者呼出的气体浓度并将检测结果发送至MCU-ESP32中进行数据处理；蓝牙模块受MCU-ESP32控制并与板块二的蓝牙模块构建通信，将板块一所测得的光谱数据通过蓝牙传送至板块二的MCU-STM32进行数据处理，最终显示于物联网云平台上。板块二的核心运算部件STM32控制板块二的其他各个模块并与之进行通信；气体传感器模块使用电化学方法和光PID方法检测患者呼出的气体浓度并将检测结果发送至MCU-STM32中进行数据处理；温湿传感器模块检测患者呼出的气体温湿度并将检测结果发送至MCU-STM32中进行数据处理；Wifi模块负责建立MCU-STM32与阿里云平台的连接，使用MQTT协议进行数据通信，将MCU-STM32数据处理后的结果传输至云平台实现图形界面显示；蓝牙模块受MCU-STM32控制并与板块一的蓝牙模块构建通信，将板块一所测得的光谱数据通过蓝牙传送至板块二的MCU-STM32进行数据处理，最终显示于物联网云平台上。
如图2所示，MEMS红外光谱传感器的的外部结构、内部结构示意图，MEMS-FPI可调滤波器有一个上镜和一个下镜，它们彼此相对放置，在它们之间有一个气隙。当电压被施加在镜子上时，静电吸引力被产生来调整空气间隙。为了便于这一动作，上镜具有膜(薄膜)结构。如果气隙是mλ/2(m:整数)，它作为一个滤波器，允许波长接近λ通过。当滤波器控制电压增大时，静电引力使气隙变窄，透射峰波长向短波侧偏移。MEMS-FPI光谱传感器是一种超小型传感器，内置MEMS-FPI(Fabry-Perot干涉仪)可调谐滤波器，采用静电的方式调控并利用傅里叶变换实现红外光谱重构(光谱范围：1500-1900nm)。首先为了能够准确测量混合气体中的不同气体成分，需要一种宽波段高精度的传感器，基于这些需求本发明选择MEMS-FPI红外光谱传感器作为系统的传感器核心，MEMS-FPI光谱传感器是一种超小型传感器，内置MEMS-FPI(Fabry-Perot干涉仪)可调谐滤波器，采用静电的方式调控并利用傅里叶变换实现红外光谱重构符合宽波段检测的要求，但精度上该传感器的响应度较低，直接使用不能满足本系统对精度的要求，因此由于上述问题，我们提出采用集成化电压调控波长与同步光电采集放大模块的MEMS-FPI光谱传感器作为传感核心。不同气体的不同光谱吸收峰而实施的光谱检测气体技术，该技术具体基于朗伯比尔定律，近红外波段范围为780-2526nm，该方法检测一些光谱吸收峰在该范围的有机气体时效果显著。
如图3气体传感器结构示意图所示，气体传感器具体特征包括有外围的一层塑料保护外壳、进气口、出气口；气体传感器包括底端气孔、顶端通信引脚，通信引脚包含4个引脚分别为5V电源、地线和两个数据引脚分别为TXD、RXD，符合串口通信标准。；保护外壳与气体传感器之间存在空隙且在中间位置填满密封固定圈。在气体传感器工作时，被测气体通过进气口进入保护外壳侧，再经过气孔进入气体传感器内部，传感器内部发生电化学反应检测出实时气体浓度，将测量与计算结果通过通信引脚把数据传输出去。被测气体测试完毕通过气孔排出气体传感器，再经过出气口排出保护外壳。
如图4电化学气体传感器内部结构示意图，传感器内部构造有内装的隔膜、作用电极，对电极和电解液预先通过电压电源向二极间输送氧化电位，当要测定的气体通过隔膜进入传感器时，在作用电极和电解液的界面处发生氧化反应，与要检测气体的浓度相对应的电子到达电极处，扩散电流流向二极。因该扩散电流与气体浓度成比例，通过增幅等电路便可在仪器中检测气体浓度。当大气中监测目标气体扩散进入半透膜，溶解在电解液中，接触到作用电极(sensing electrode)，在作用电极表面产生化学反应，形成离子与电子等带电物质，带电物质在电解液中由作用电极端扩散至对电极端(counting electrode)，于是形成电路，经由量测电流变化或电位变化即可得知气体浓度。
如图5光PID气体传感器内部结构示意图，待测气体进入传感器内部时，封装壳内设置有真空紫外射灯，射灯正常工作时对气室内的待测的VOCs气体进行电离，封装壳内侧壁上设置有蜂窝收集电极曾为图中的电离收集层，通过电离收集层收集电子构成的振荡回路，并通过外设的定电压电源施加振荡电场，并在电极间捕捉电离化的离子，产生振荡电流，交由后续电路采集并放大，进行信息传输，从而采集VOCs气体的成分以及含量；根据振荡电场的强度和频率的不同，可以对离子的捕获情况进行调整，经由量测电流变化或电位变化即可得知气体浓度。
如图6为物联网云端平台的界面显示，所述物联网平台使用的是阿里云物联网平台，所述阿里云平台负责将实时检测到的数据进行通信交互并将数据都以图形曲线的形式显示到用户端，显示包括有温湿度值、所测气体浓度值、光谱数据曲线图、参数设定、医疗诊断分析等，以图形界面远程显示可以更直观更方便。物联网平台使用阿里云旗下的IoTStdio产品实现气体测试数据的互联及显示，利用阿里云IoT Studio的前端界面，可将传感器采集到的数据统一由设备端经过物联网平台的规则引擎发送到PC端，实现数据实时可视化显示。
如图7为光谱传感器检测空气时的LabView测试截图和如图8为光谱传感器检测2％浓度甲烷时的LabView测试截图，两侧光谱测量的数据进行对比分析，显然在通入2％浓度甲烷时，1650-1655nm波段的光谱急剧衰减。反复进行不同浓度的光谱测量，形成梯度对比，不难得出气体浓度与光谱数据之间的标定。
如图9为光谱传感器所测得的一些甲烷光谱样本数据，左图为通过两级放大电路相同气体浓度甲烷气体传感器时间分辨数据，右图为不同浓度甲烷气体传感器时间分辨数据，我们通过ADA4530fA级超低噪声运放，配合A623运算放大器构成两级运放，反馈回路有高阻值电阻与电容组成，放大倍率可达10000倍，最后实现了响应速度快小于100微秒，0.1mV幅度分辨，10uV分辨率的光谱传感时间分辨响应系统。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，包括MEMS光谱传感核心(1)；光PID的TVOCs传感核心(2)；电化学传感核心(3)；温湿度传感核心(4)；MCU-ESP32单片机核心部件(5)；MCU-STM32单片机核心部件(6)；Wifi-蓝牙数据传输模块(7)；阿里云物联网模块(8)，其特征在于，所述MEMS-FPI传感器是一种超紧凑传感器，内置MEMS-FPI(法布里-珀罗干涉仪)可调谐滤光器，可以在单个封装中根据施加电压和砷化铟镓光电二极管改变其传输波长，光谱响应范围为1550～1850nm，结合可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测技术以0.5nm分辨率采集该波段的光电信号，安装在简单、紧凑的仪器中，用于测量材料的吸光度等，光PID的TVOCs传感核心(2)，弥补了甲苯、丙酮等吸收光谱在远红外气体，电化学传感核心(3)检测甲醛等光PID无法检测的气体，温湿度传感核心(4)实时监测测试环境的温湿度，MCU-ESP32单片机核心部件(5)、MCU-STM32单片机核心部件(6)、Wifi-蓝牙数据传输模块(7)、阿里云物联网模块(8)基于MCU-ESP32单片机和MCU-STM32单片机构成双核运算处理，采用蓝牙传输数据和ESP8266的Wifi-SOC模组实现阿里云的IoT-Stdio互联技术对上述多种气体传感手段进行数据融合。
2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述MEMS-FPI光谱传感器采集光谱时采用了可调谐DFB激光器为核心的激光光谱检测技术，在对气体进行光谱测量时，能够在气体的吸收峰光谱处发射出稳定的激光，并符合朗伯比尔定律。
3.根据权利要求2所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述可调谐二极管吸收光谱技术(TDLAS)光谱痕量检测技术可通过所述的DFB激光器发射出固定波段的光谱，然后通入气体，气体会对光谱产生一定量的吸收，检测出通入气体前后的光谱数据变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述光PID的TVOCs传感核心采用光PID配合DOAS光谱技术检测包括丙酮、甲苯、丁酮在内的TVOCs残留气体。
5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述电化学传感核心采用电化学测试甲烷、一氧化氮等气体，光PID传感器和电化学传感器均是通过串口方式与MCU构建数据通信。
6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述Wifi模块基于ESP8266核心与所述MCU-STM32通过串口协议构建通信，并负责构建MCU数据与物联网数据的交互。
7.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述物联网平台使用阿里云旗下的IoT-Stdio产品实现气体测试数据的互联及显示。
8.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述MCU控制Wifi模块与所述物联网平台构建通信，所述的Wifi模块是通过MQTT协议与MQTT服务器实现双向连接，通过MQTT协议将信息上报云端，同时接收并执行物联网平台下发的命令。
9.根据权利要求1所述的一种基于多传感器融合的人体呼气痕量检测系统，其特征在于，所述个人PC终端，通过MQTT协议的发布/订阅为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，利用阿里云IoT-Studio的前端界面，可将传感器采集到的数据统一由设备端经过物联网平台的规则引擎发送到PC端，实现数据实时可视化显示。
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