基于STM8的士兵心率呼吸率監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)*

石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進(jìn)

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 北京精密光電測(cè)量?jī)x器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

基于STM8的士兵心率呼吸率監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)*

石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進(jìn)

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 北京精密光電測(cè)量?jī)x器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

本文闡述了一種基于STM8的士兵心率呼吸率監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。裝置由脈搏波傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路、微處理器、電源模塊、報(bào)警模塊組成。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:設(shè)計(jì)能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的心率呼吸率低負(fù)荷連續(xù)監(jiān)測(cè)，適用于士兵訓(xùn)練時(shí)的心臟功能和肺功能的監(jiān)測(cè)，能很好地實(shí)現(xiàn)其預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故發(fā)生，具有較好的實(shí)用價(jià)值，有望在未來(lái)的士兵訓(xùn)練場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。

士兵訓(xùn)練； 光電容積脈搏波； 心率； 呼吸率

0 引 言

在軍事訓(xùn)練中，常因士兵達(dá)到生理極限而發(fā)生訓(xùn)練事故,而士兵體能的訓(xùn)練與心臟功能和肺功能的關(guān)系十分密切。士兵健康狀態(tài)評(píng)定的常用指標(biāo)有心率、呼吸率等。經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)分析,訓(xùn)練事故發(fā)生前士兵的心率呼吸率等均會(huì)出現(xiàn)異常[1]。若能實(shí)時(shí)進(jìn)行心率和呼吸率檢測(cè)，在發(fā)生訓(xùn)練事故之前及時(shí)終止訓(xùn)練，將大大降低軍事訓(xùn)練事故的發(fā)生率。當(dāng)前，西方各發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極開(kāi)展士兵生命體征監(jiān)測(cè)裝置的研究工作，如美國(guó)的“地面勇士”、英國(guó)的“未來(lái)戰(zhàn)斗士兵系統(tǒng)”、俄羅斯的“巴爾米察”等[2～4]。我國(guó)如鄧親凱等人研制的單兵狀態(tài)監(jiān)測(cè)器，用于戰(zhàn)場(chǎng)傷員搜救等[5]。

但由于上述國(guó)內(nèi)外研究都是用于戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的生命體征信號(hào)監(jiān)測(cè)，且裝置比較復(fù)雜。在士兵日常訓(xùn)練時(shí)難以完全適用。我軍長(zhǎng)期缺乏一種可以預(yù)防訓(xùn)練事故發(fā)生的預(yù)警裝置，在此背景下，本文在前期研究的基礎(chǔ)上嘗試設(shè)計(jì)了集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的士兵訓(xùn)練時(shí)心率呼吸率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置。實(shí)現(xiàn)了基于光電容積脈搏波的心率、呼吸頻率的無(wú)創(chuàng)快速準(zhǔn)確檢測(cè)。提出的融合算法提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

本裝置適用于士兵訓(xùn)練時(shí)的心臟功能和肺功能的監(jiān)測(cè)，能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故的發(fā)生，具有較好的實(shí)用價(jià)值，有望在未來(lái)的士兵訓(xùn)練場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示。

圖1 士兵心率呼吸率檢測(cè)預(yù)警裝置示意圖

1.1 微處理器

本裝置采用了STM8S003F3單片機(jī)作為微處理器，其具有低功耗、低成本、可靠性較高等多方面的優(yōu)勢(shì)[6]。

1.2 脈搏波傳感器

目前脈搏波傳感器主要是基于光電容積描記技術(shù)(PPG)設(shè)計(jì)而成，其主要有兩種設(shè)計(jì)方式，透射式，即發(fā)光二極管與探測(cè)器位于手指兩側(cè)；反射式，即發(fā)光二極管與探測(cè)器位于指端同一側(cè)。傳統(tǒng)脈搏波傳感器多采用透射式測(cè)量方法。本文采用了反射式測(cè)量方法對(duì)脈搏波傳感器進(jìn)行了選型。其電路示意圖如圖2所示。傳感器的4，5腳為電源腳。2腳為2個(gè)LED的公共負(fù)極，通過(guò)調(diào)節(jié)1和3管腳上的電阻值可以調(diào)節(jié)傳感器的發(fā)光功率。管腳6為原始的脈搏波信號(hào)輸出端。

圖2 心率傳感器電路示意圖

相比傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)方法，本文采用的脈搏波傳感器主要有以下兩方面優(yōu)勢(shì)：1)體積小，便攜，提高了士兵佩戴本設(shè)計(jì)的舒適度。傳統(tǒng)的脈搏波獲取方法中，發(fā)光二極管和光電探測(cè)器是兩個(gè)分立的元器件，體積龐大。本設(shè)計(jì)中發(fā)光二極管和光電探測(cè)器被集成在一個(gè)只有4.1 mm×2 mm×1.05 mm的體積內(nèi)，解決了傳統(tǒng)的脈搏波獲取裝置體積龐大，不適用于士兵訓(xùn)練時(shí)佩戴的問(wèn)題。2)反射式測(cè)量方式使得測(cè)量位置靈活。目前獲得脈搏波的途徑主要是透射式的脈搏波測(cè)量方式，測(cè)量時(shí)需要將裝置夾在手指或者耳朵上，透射式的測(cè)量方式很大程度上限制了脈搏波的測(cè)量位置。本設(shè)計(jì)中心率傳感器采用反射式的測(cè)量方式，測(cè)量位置只要有血液活動(dòng)就可以獲得脈搏波，擴(kuò)展了脈搏波獲取位置，解決了透射式的脈搏波傳感器測(cè)量位置的局限性。3)570 nm更敏感波段選取。目前的脈搏波傳感器采用的是紅光或者紅外光，本設(shè)計(jì)中采用的是波長(zhǎng)570 nm的綠光。4)抗環(huán)境噪聲。傳統(tǒng)的脈搏波傳感器對(duì)環(huán)境中的光線強(qiáng)度比較敏感，環(huán)境光對(duì)測(cè)量的精度影響巨大。為了適應(yīng)不同情況下的光照，本設(shè)計(jì)中傳感器內(nèi)部集成了一個(gè)nm級(jí)的環(huán)境光過(guò)濾器，可以幫助濾掉不想要的環(huán)境光，提高了信號(hào)的信噪比。5)功耗低,本設(shè)計(jì)中的傳感器的功耗非常低,極大地提高了續(xù)航能力。

1.3 信號(hào)預(yù)處理電路

圖3 信號(hào)預(yù)處理電路示意圖

如圖3所示，脈搏波傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)μA級(jí)的電流信號(hào)，為了便于后續(xù)處理，首先通過(guò)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?？紤]到脈搏波信號(hào)的低頻特性，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)RC低通濾波器濾出一些高頻的噪聲。然后再通過(guò)放大電路得到脈搏波信號(hào)。得到的脈搏波信號(hào)如圖4所示。為了便于計(jì)算心率和提高心率檢測(cè)的準(zhǔn)確性;設(shè)計(jì)中還將脈搏波信號(hào)整形為方波信號(hào)，通過(guò)方波信號(hào)和脈搏波信號(hào)計(jì)算心率值，提高了心率的準(zhǔn)確性。脈搏波波形整形輸出的方波信號(hào),如圖5所示。

圖4 濾波放大輸出的脈搏波信號(hào)

圖5 脈搏波信號(hào)整形輸出的方波信號(hào)

1.4 報(bào)警模塊

當(dāng)微處理器監(jiān)測(cè)到士兵的身體出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警模塊，提示士兵停止訓(xùn)練。

報(bào)警模塊主要是通過(guò)一個(gè)KC—1206無(wú)源蜂鳴器及其驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整輸入脈沖的頻率和限流電阻的阻值來(lái)控制蜂鳴器放出聲音的響亮程度。

1.5 電源模塊

設(shè)計(jì)中采用3.7 V鋰電池供電，由于系統(tǒng)中其他模塊選用的是3.3 V供電，所以供電模塊由充電模塊和穩(wěn)壓模塊兩部分組成。充電模塊選擇的是TP4056充電管理芯片，穩(wěn)壓模塊選擇的是SGM2019—3.3V穩(wěn)壓芯片。具體的電源模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路原理圖

圖7 士兵心率呼吸率檢測(cè)預(yù)警裝置工作的流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作流程

士兵心率呼吸率檢測(cè)預(yù)警裝置工作的流程圖如圖7所示,主要包括：1)初始化ADC、UART、時(shí)鐘、I/O口、相應(yīng)的變量等。2)脈搏波信號(hào)的獲取、預(yù)處理、心率呼吸率的獲取。3)心率呼吸率出現(xiàn)異常時(shí)觸發(fā)報(bào)警模塊。

2.2 數(shù)字濾波

為了提高脈搏波信號(hào)的信噪比，使得測(cè)量結(jié)果能更加準(zhǔn)確地反映士兵的身體狀況，本文算法采用了數(shù)字濾波。數(shù)字濾波采用的是平均濾波的方法，將采集到的信號(hào)值與之前存儲(chǔ)的兩個(gè)信號(hào)值進(jìn)行平均值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為新的采樣值存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)緩沖空間內(nèi)[7]。通過(guò)平均值濾波可以去掉一些隨機(jī)干擾噪聲，得到的脈搏波波形更加平滑，減小了測(cè)量誤差。

2.3 心率測(cè)量

心臟跳動(dòng)一次脈搏波信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)主峰，通過(guò)對(duì)主峰進(jìn)行計(jì)數(shù)即可得到心率值。設(shè)計(jì)中對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行特征提取，提取出t秒內(nèi)主峰出現(xiàn)的個(gè)數(shù)N，心率heartrate1計(jì)算如下

heartrate1=N×60/t

(1)

除此之外，設(shè)計(jì)中還以采樣率n提取脈搏波信號(hào)，通過(guò)提取t秒內(nèi)主峰的次數(shù)N以及第一個(gè)主峰n1和最后一個(gè)主峰的位置n2，然后通過(guò)式(2)得到心率heartrate2。

heartrate2=n×60×(N-1)/(n2-n1)

(2)

設(shè)計(jì)中將上述兩種心率測(cè)量方法相結(jié)合，將heartrate1和heartrate2進(jìn)行平均值計(jì)算作為最終的心率HR。

2.4 呼吸率測(cè)量

由于呼吸會(huì)引起血管的變化，血管變化就會(huì)引起通過(guò)血管檢測(cè)到的脈搏波信號(hào)發(fā)生變化。這種變化通常是頻率調(diào)制和幅度調(diào)制?；谠撛恚疚奶岢隽艘环N基于脈搏波峰值包絡(luò)線和竇性心律不齊的呼吸率檢測(cè)算法。

呼吸信號(hào)會(huì)對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，在脈搏波波形上通過(guò)脈搏波峰值的包絡(luò)線表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)峰值檢測(cè)，得到脈搏波信號(hào)峰值的包絡(luò)線，再對(duì)脈搏波峰值包絡(luò)線信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)和周期檢測(cè)即可以得到呼吸率值RR1。

呼吸信號(hào)對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制表現(xiàn)在竇性心律不齊上。竇性心律不齊指的是呼吸時(shí)心率的變化。吸氣時(shí)，心率升高；呼氣時(shí)，心率降低。而實(shí)時(shí)心率的變化在脈搏波信號(hào)上表現(xiàn)為兩個(gè)相鄰脈搏波波峰之間間距的周期性變化。通過(guò)峰值檢測(cè)得到波峰位置，再通過(guò)相鄰波峰間距的變化規(guī)律即可以得到呼吸率RR2。

通過(guò)幅度調(diào)制和頻率調(diào)制，可以得到兩個(gè)呼吸率值RR1、RR2，設(shè)計(jì)中對(duì)兩個(gè)呼吸率RR1、RR2進(jìn)行平均值計(jì)算作為最終的呼吸率值RR。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)10名受測(cè)人員使用本設(shè)計(jì)進(jìn)行心率呼吸率測(cè)試，同時(shí)采用醫(yī)用指夾式血氧計(jì)(可同時(shí)測(cè)量心率及血氧飽和度)對(duì)受測(cè)人員進(jìn)行心率測(cè)試，并采用人工方法對(duì)受測(cè)人員進(jìn)行呼吸次數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)與醫(yī)用心率血氧計(jì)存在±3的誤差，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，±3的誤差對(duì)本文的應(yīng)用帶來(lái)的影響是十分微弱的，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：本文闡述的士兵心率呼吸率檢測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)能正常監(jiān)測(cè)士兵的心率和呼吸率，在身體出現(xiàn)異常時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，具有集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的特點(diǎn)。此外，本文方法實(shí)現(xiàn)了基于光電容積脈搏波的呼吸頻率的無(wú)創(chuàng)快速準(zhǔn)確檢測(cè)；提出的融合算法提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性。

本設(shè)計(jì)能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的心率呼吸率低負(fù)荷連續(xù)監(jiān)測(cè)，適用于士兵訓(xùn)練時(shí)的心臟功能和肺功能的監(jiān)測(cè)，能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故發(fā)生，具有較好的實(shí)用價(jià)值，有望在未來(lái)的士兵訓(xùn)練場(chǎng)上發(fā)揮重要作用。

本設(shè)計(jì)只檢測(cè)了心率和呼吸率，還可以加入更多參數(shù)，如溫度、心率變異性、血氧飽和度等多參數(shù)來(lái)更精確地評(píng)估士兵的身體狀況。

[1] 陳長(zhǎng)禮.論“心率監(jiān)測(cè)法”在警察體能鍛煉中的作用[J].軍事體育進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào),2006,25(2):117-119.

表1 心率和呼吸率測(cè)試結(jié)果對(duì)比

[2] 王雅靜.單兵系統(tǒng)生命參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

[3] 閆慶廣,吳寶明,卓 豫，等.穿戴式單兵生命監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2006,30(5):345-348.

[4] 陳 劍.單兵系統(tǒng)中生命參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的初步研究 [D].西安：第四軍醫(yī)大學(xué),2005.

[5] 郭勁松,鄧親愷.單兵生命狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及定位系統(tǒng)的研究[J].第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(4):320-322.

[6] 俞文彬,謝志軍.基于穿戴式心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(9):65-68.

[7] 楊 軍,吳 松,李圓怡,等.SPR生物傳感檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2010，29(6):95-97.

Design of HR and RR monitoring and early warning device for soldiers based on STM8*

SHI Cong， LIU Xiao-hua， KONG Ling-qin， DONG Li-quan， LIU Ming， ZHAO Yue-jin

(Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology,School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Design and implementation method of a device for soldiers heart rate(HR)and respiratory rate(RR)monitoring based on STM8 are discussed.The device consists of pulse wave sensor,signal preprocessing circuit, microprocessor,power supply module, alarm module.After a lot of experimental verification，this design can carry out long time continuous monitoring HR and RR.The device can realize the early warning function very well,it has good practical value,and is expected to play an important role on future soldier training field.

soldiers training； photoplethysmography； heart rate(HR)； respiratory rate(RR)

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0090—04

2016—04—26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377109，61301190)

R 318

A

1000—9787(2017)04—0090—04

石 聰(1990-)，男 ，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯w征信號(hào)檢測(cè)。