基于STM32的便攜式生命體征監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

張秀娟，程飛龍

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510）

隨著生活節(jié)奏的加快，人們面臨著各個(gè)方面的壓力，體質(zhì)普遍變差，各種疾病的發(fā)病率都呈現(xiàn)上升的趨勢[1]。與此同時(shí)，由于生活水平和健康意識的提高，人們對自身的健康問題有了更強(qiáng)的預(yù)防意識，需要經(jīng)常對自身的一些生命體征（例如體溫、心電等）進(jìn)行監(jiān)測，以防患于未然。此外，對于某些心血管疾病，由于其發(fā)病具有隱匿性的特點(diǎn)，因此對此類可疑發(fā)病人群進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的需求也在不斷增加。使用專用的醫(yī)療設(shè)備存在成本高、體積大，不便于攜帶等缺點(diǎn)，無法滿足人們對生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的需要。

本儀器攜帶方便，僅需一個(gè)心電貼片就可以完成對人體心電信號、人體姿態(tài)和體溫?cái)?shù)據(jù)的檢測和采集，并可以通過藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，可以成為遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。同時(shí)本裝置體積小巧，使用鋰聚合物電池供電，能夠連續(xù)使用12 h以上，可以作為夜間無人看護(hù)的替代品。

1 整體方案設(shè)計(jì)

本裝置是根據(jù)市場需求而研發(fā)的一款便攜式生命體征監(jiān)護(hù)儀，使用STM32為核心芯片，通過貼在人體表面的心電貼片上的兩個(gè)金屬電極采集人體表面的電信號，經(jīng)過濾波和放大處理后由A/D轉(zhuǎn)換得到人體心電信號。通過內(nèi)置的溫度傳感器和溫敏電阻來檢測人體體表溫度，通過加速度傳感器檢測人體姿態(tài)變化，可以在人體生命體征數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常突變時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有一個(gè)8 MB的Flash，可以連續(xù)存儲超過12 h的生命體征數(shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)儀采集到的生命體征數(shù)據(jù)可以通過藍(lán)牙模塊傳輸給手機(jī)或Pad等，數(shù)據(jù)在手機(jī)或Pad中經(jīng)處理和分析后可以通過屏幕進(jìn)行顯示，對異?，F(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警處理，同時(shí)還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。本裝置采用可充電的鋰聚合物電池供電，系統(tǒng)功耗較少，一次充電可以連續(xù)工作12 h以上，充電和監(jiān)護(hù)工作可以同時(shí)進(jìn)行。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 生命體征監(jiān)護(hù)儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電采集模塊主要采集人體體表的模擬電信號，并從中濾出人體心電信號。心電貼片上有2個(gè)金屬電極，通過采集兩電極之間的差分電壓，從而獲得心電信號。心電信號一般情況下非常微弱[2]，差分電壓的幅值約為10 μV～3 mV，典型值在 1 mV左右，信號的頻率主要集中在0.05 Hz～100 Hz之間。人體體表的電信號中通常還會伴隨有很多干擾信號，這些干擾信號主要是由電極與皮膚之間的接觸干擾、50 Hz工頻干擾和其他高頻干擾等組成，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的放大器和濾波器，將有用信號準(zhǔn)確地送到A/D轉(zhuǎn)換引腳。

從心電貼片獲得的差分信號屬于高內(nèi)阻的微弱信號，前級采樣電路要使用高內(nèi)阻差分放大器，同時(shí)為了匹配兩個(gè)差分信號源的阻抗，兩個(gè)信號源的輸入電路要嚴(yán)格對稱。工頻干擾及通過其他途徑串?dāng)_進(jìn)來的干擾同屬于共模干擾，因此前級的差分放大器要具有較高的共模抑制比CMRR。本系統(tǒng)中使用AD623作為前級差分放大器。心電信號為雙極性信號，而使用的A/D轉(zhuǎn)換器為單極性轉(zhuǎn)換器。為了更好地滿足A/D轉(zhuǎn)換的線性規(guī)律，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有一個(gè)升壓電路，將靜態(tài)電壓抬升到VCC/3，以確保心電信號全部在0.2 V以上。AD623的放大倍數(shù)過大時(shí)會影響共模抑制比，因此通過配置外圍電路，將AD623的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，后級再設(shè)計(jì)100倍放大電路，系統(tǒng)心電采樣電路總放大倍數(shù)為1 000倍，可以將心電信號的幅值放大到1 V左右，方便A/D轉(zhuǎn)換器采樣，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率大于1 kHz。為濾除干擾信號，在采樣電路中設(shè)計(jì)有一個(gè)帶通濾波器，通帶頻率為0.05 Hz～100 Hz，此濾波器主要濾除高頻和低頻干擾。50 Hz工頻干擾屬于共模干擾，在系統(tǒng)中對心電信號的干擾比較大。本系統(tǒng)中使用50 Hz帶阻電路濾除，帶阻電路的傳遞函數(shù)[3]為，中心頻率，Q值為，Q值越大，帶阻效果越好。心電采樣電路如圖2所示。

2.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)[4]是當(dāng)今全球普遍使用的一種短距離無線通信技術(shù)，藍(lán)牙的工作頻率為2.4 GHz，并采取了跳頻技術(shù)，避免與其他無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)相互干擾。在藍(lán)牙設(shè)備的工作范圍內(nèi)，藍(lán)牙設(shè)備可以主動(dòng)監(jiān)測其他藍(lán)牙設(shè)備，并由用戶決定是否進(jìn)行連接。根據(jù)發(fā)射功率的不同，藍(lán)牙設(shè)備又可以分為不同的等級，由大到小分別為class1～class4，本系統(tǒng)中使用的功率等級為class2，最大傳輸距離為10 m，可以工作在點(diǎn)對點(diǎn)或者一點(diǎn)對多點(diǎn)的工作方式。在本系統(tǒng)中使用BC417作為藍(lán)牙主控芯片，通過串口與STM32進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊內(nèi)部具有內(nèi)嵌的協(xié)議棧，并建立了SPP應(yīng)用框架允許藍(lán)牙設(shè)備工作在透傳模式，系統(tǒng)主控芯片與藍(lán)牙模塊之間采取AT命令的形式進(jìn)行協(xié)議通信，允許用戶設(shè)定串口發(fā)送的波特率。藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.3 姿態(tài)、溫度采集和存儲模塊設(shè)計(jì)

溫度是人體生命體征的一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中使用溫度傳感器和溫敏電阻兩種方式來檢測體溫，溫度傳感器選用12 bit模式，可以精確到0.1℃。溫度傳感器與系統(tǒng)主控制器之間采用I2C總線進(jìn)行通信。溫敏電阻采樣是通過電阻分壓的形式，溫度改變時(shí)輸送到主控制器A/D轉(zhuǎn)換引腳的電壓也改變，通過計(jì)算可以得到被測溫度。系統(tǒng)可以存儲采集到的溫度數(shù)據(jù)，也可以實(shí)時(shí)地通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲采用一個(gè)8 MB的Flash來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)沒有藍(lán)牙設(shè)備與本儀器進(jìn)行連接時(shí)，系統(tǒng)會自動(dòng)地將采集到的數(shù)據(jù)按照一定的編碼順序進(jìn)行存儲。Flash存儲器的讀寫次數(shù)一般為10萬次，為了延長Flash存儲器的使用壽命，系統(tǒng)主控制器采集到的數(shù)據(jù)先會在內(nèi)部RAM中緩存，存儲到一定量的數(shù)據(jù)后再寫進(jìn)Flash。

圖3 藍(lán)牙模塊電路

人體姿態(tài)采樣主要是針對老年人或者小孩的監(jiān)護(hù)，當(dāng)被監(jiān)護(hù)人意外摔倒或者出現(xiàn)異常的姿態(tài)時(shí)，系統(tǒng)就會通過上位機(jī)軟件進(jìn)行報(bào)警，異常的判斷和處理是通過安裝有分析軟件的手機(jī)或者平板電腦來完成。姿態(tài)的采樣是通過加速度傳感器來實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算重力加速度可以計(jì)算出設(shè)備與水平面的傾斜角度，并可以通過XYZ三維數(shù)據(jù)的變化計(jì)算設(shè)備運(yùn)動(dòng)的方式。系統(tǒng)溫度、姿態(tài)采集和存儲器電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32作為主控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個(gè)按鍵，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，系統(tǒng)中所有器件處于斷電狀態(tài)，電池停止向外供電。系統(tǒng)按鍵按下超過3 s，CPU使能系統(tǒng)供電使能引腳，此時(shí)松開按鍵，系統(tǒng)開始正常工作。若按鍵按下時(shí)間小于3 s，則系統(tǒng)供電使能信號沒有觸發(fā)，無法完成上電工作，此設(shè)計(jì)是用來防止用戶誤操作。系統(tǒng)上電初始化完成后即開始采樣心電、溫度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并判斷是否有外部藍(lán)牙設(shè)備與其連接，當(dāng)有外部藍(lán)牙設(shè)備與其連接時(shí)，系統(tǒng)會主動(dòng)判斷發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或者歷史記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送完成或者外部藍(lán)牙設(shè)備斷開連接時(shí)，系統(tǒng)仍會繼續(xù)采樣數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲進(jìn)系統(tǒng)Flash內(nèi)部。在系統(tǒng)運(yùn)行中，若按鍵按下超過5 s，則系統(tǒng)會認(rèn)為用戶是需要停止使用，便會保存必須的數(shù)據(jù)，并禁止電池繼續(xù)為系統(tǒng)器件供電。系統(tǒng)主流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主流程圖

4 測試結(jié)果

圖4 溫度、姿態(tài)和存儲電路

本系統(tǒng)與安裝有分析軟件程序的手機(jī)配合使用，可以清楚地看到被監(jiān)護(hù)人的心跳波形、每分鐘的心跳數(shù)、人體體表溫度信息和被監(jiān)護(hù)人的姿態(tài)信息。手機(jī)安裝軟件可以分析[5]心跳波形的特征，對于心跳漏搏和心臟二連跳等異常信號能及時(shí)做出相應(yīng)的報(bào)警。心電信號經(jīng)過軟件和硬件兩層濾波設(shè)計(jì)[6-7]，可以清晰地看到干凈、無毛刺的心電信號。系統(tǒng)界面中實(shí)時(shí)地顯示人體的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過高或者過低時(shí)，系統(tǒng)會通過相應(yīng)的方式進(jìn)行報(bào)警。姿態(tài)界面用一個(gè)卡通人物形象表示被監(jiān)護(hù)人的實(shí)時(shí)姿態(tài)。系統(tǒng)還可以為每個(gè)監(jiān)護(hù)儀設(shè)置獨(dú)有的編號或者用戶名，方便多個(gè)監(jiān)護(hù)儀組網(wǎng)使用。

本系統(tǒng)具有使用方便、操作簡單、低功耗和體積較小等特點(diǎn)。通過生命體征監(jiān)護(hù)儀可以實(shí)時(shí)地采集被監(jiān)護(hù)人的各項(xiàng)基本生命體征數(shù)據(jù)，也可以通過記錄文件獲取在過去一段時(shí)間內(nèi)被監(jiān)護(hù)人的生命體征數(shù)據(jù)。生命體征監(jiān)護(hù)儀充電一次可以連續(xù)使用12 h以上，并能夠連續(xù)存儲超過12 h的記錄文件。通過安裝軟件可以形象地顯示采集到的生命體征數(shù)據(jù)。經(jīng)大量樣本采樣實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)完全能夠完成生命體征數(shù)據(jù)的監(jiān)護(hù)，為臨床醫(yī)療或者家庭看護(hù)提供基礎(chǔ)性的研究。系統(tǒng)的不足之處是還需要提高心電的模/數(shù)轉(zhuǎn)換速率，缺少對人體呼吸參數(shù)的采集和監(jiān)護(hù)。在后期研究中還可以集成更多的通信方式，使系統(tǒng)更加靈活。

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