智能心率監(jiān)測系統(tǒng)的設計

劉宇紅　李月婷　何國鋒　姜成旭

摘 要： 設計一款智能心率監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用于老年人和中年人的智能穿戴領域，其便攜式的心率測量使用方便。采用反射式光電傳感器作為前端信號采集，將得到的信號進行轉換和數(shù)字濾波，經(jīng)過心率計算后得到的數(shù)據(jù)無線傳輸給監(jiān)控終端，可實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡化的實時監(jiān)測。當接收到的心率測量數(shù)據(jù)不在人體心率安全范圍內(nèi)時，系統(tǒng)會啟動報警，可及時避免突發(fā)疾病因時間耽誤急救。該系統(tǒng)設計經(jīng)過多種運動狀態(tài)試驗對比，表明此設計的智能心率監(jiān)測系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、高精度和可行性。

關鍵詞： 反射式光電傳感器； 智能穿戴設備； 高精度數(shù)字濾波； 信號采集

中圖分類號： TN931+.3?34； TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0117?04

Abstract： An intelligent heart rate monitoring system is designed， which is mainly used in the intelligent wearable fields of the elderly and middle?aged people， and is convenient for portable measurement of heart rate. The reflective photoelectric sensor is used to acquire the front?end signal， then the transformation and digital filtering are performed for the received signal， and the data calculated with heart rate monitoring system is transmitted to the monitoring terminal in the wireless form to realize the intelligent and networked real?time monitoring. If the measured heart rate data received by the signal acquisition module is out of the security scope of human heart rate， the system will start the alarm to timely prevent the delay before the first aid of paroxysmal disease comes true. The experimental contrast was conducted for the system design with a variety of motion conditions. The experimental result shows that the intelligent heart rate monitoring system has high stability， high accuracy and strong feasibility.

Keywords： reflective photoelectric sensor； smart wearable device； high?precision digital filtering； signal acquisition

0 引 言

近年來隨著生活水平的提高和生活壓力的增大，人們開始更加關注自身健康狀況，智能穿戴產(chǎn)品已進入大眾生活，市面上出現(xiàn)各種測量身體生理參數(shù)的智能穿戴產(chǎn)品，但多數(shù)對運動量和睡眠進行監(jiān)測，其顯示人體的健康情況意義并不是很大。老年人的發(fā)病率遠遠超過年輕人，發(fā)病的主要原因是生理的基本參數(shù)沒有得到及時的監(jiān)測，其心率作為最重要的生理參數(shù)，將成為可穿戴設備中的必要功能?？纱┐髟O備可將對人體監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控終端，及時觀察人體的健康情況。

目前醫(yī)院測量心率儀器分為非攜帶式和穿戴式兩種。非攜帶式儀器可以準確地監(jiān)測出人體的心率參數(shù)，但對于日常生活中不方便使用；而可穿戴式使用起來不便于使用者的正常生活。本文主要研究便攜式心率監(jiān)測系統(tǒng)，通過遠程通信傳輸給親屬或社區(qū)醫(yī)院，以便時刻觀察使用者的情況。心率所呈現(xiàn)出的綜合信息在很大程度上可以反映出許多生理疾病，通過心率信息判斷出心率輸出量、算出休克指數(shù)和估計出心肌耗氧數(shù)。

本文設計采用的是反射式光電傳感器作為前端數(shù)據(jù)采集裝置，傳感器本身具有低功耗、使用便捷等特點，外圍電路設計有信號轉換、放大電路和數(shù)/模轉換等，實現(xiàn)了脈搏信號采集、信號轉換和數(shù)/模轉換等功能[1]。通過對比幾種濾波算法的去除噪音的效果，本文選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)濾波和心率算法處理，從而消除脈搏的信號雜質。本文主要通過研究前端信號采集、信號轉換、數(shù)字濾波、算法處理和數(shù)據(jù)遠程傳輸來完成整體系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)結構設計

利用人體生物組織在血液搏動時造成透光率不同來進行脈搏測量，根據(jù)這一特性實現(xiàn)對于脈搏信號的采集[2]。其脈搏測量具有多種方法，但得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)的關鍵是濾波處理和算法處理這兩個關鍵性過程。本文采用光敏傳感器和外圍電路結構設計，簡化了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端電路的設計。系統(tǒng)結構設計如圖1所示。

本文系統(tǒng)硬件結構設計通過獨立式模塊展示，整體結構主要采用了前端信號采集模塊、微處理器模塊、串口通信模塊、Socket無線網(wǎng)絡傳輸和監(jiān)控終端進行的整體融合設計。其脈搏采集模塊作為前端，因手指指尖處血管豐富，測量時可采用指尖，主要根據(jù)脈搏血液流動產(chǎn)生的容積變化，會隨著人體心臟呈現(xiàn)周期性的動態(tài)變化，當心臟收縮時，血液容積會變大，心臟舒張時，血液容積會變小，根據(jù)血液容積的周期性變化來反應采集脈搏信號的周期性變化。

本文系統(tǒng)軟件結構設計通過微處理器STM32將采集到的信號進行信號轉換、數(shù)/模轉換和數(shù)字濾波等處理，再將得到的穩(wěn)定數(shù)據(jù)通過軟件設計的心率計算出此時使用者的心率值，通過Socket無線通信將數(shù)據(jù)遠程傳輸給監(jiān)控終端，得以觀察使用者的實時心率情況。

2 系統(tǒng)硬件設計

本文系統(tǒng)硬件設計主要包括主控制芯片STM32，前端心率讀取模塊，兩者之間主要通過SPI通信連接，通過數(shù)據(jù)同步串行傳輸實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取和處理功能等作用。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集

本文前端數(shù)據(jù)采集應用的是光敏傳感器，外圍設計具有A/D轉換的低噪聲接收通道、LED發(fā)射裝置、內(nèi)部監(jiān)測的診斷功能、低抖動時鐘、外部晶振提供的振蕩器和SPI接口與外界連接。本文設計在血氧信號采集過程中，應用模塊獨立式的解決方案，將信號轉換、放大電路和濾波處理作為人體心率參數(shù)的前端信號采集模塊，不僅可以得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，還可以減少系統(tǒng)功耗，延長整體系統(tǒng)使用時間。該方案滿足便攜式心率計低功耗、體積小的設計，心率讀取模塊內(nèi)部結構圖如圖2所示。

2.2 主控部分

微處理器主控芯片采用的是STM32，其本身具有高性能、低功耗和低成本等特點[3]。在整體設計中，MCU主要對前端采集模塊的數(shù)據(jù)讀取后，進行數(shù)/模轉換和數(shù)字濾波，通過算法計算出此時人體的心率值，再將數(shù)據(jù)通過Socket無線網(wǎng)絡傳輸給手機APP或者上位機。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文軟件設計主要研究工作是對前端采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理、計算出心率值和遠程傳輸數(shù)據(jù)。其根據(jù)嵌入式系統(tǒng)主要由通信進程、虛擬文件、外端接口和內(nèi)存管理等部分組成，選用Keil作為開發(fā)環(huán)境，可加快后續(xù)開發(fā)和軟件仿真等工作。當系統(tǒng)上電時，使各個模塊程序進入初始化，前端采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，并對濾波后的數(shù)據(jù)進行心率計算，計算出此時使用者的心率數(shù)值，將數(shù)據(jù)通過Socket無線網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控終端，以便記錄和觀察使用者的心率數(shù)值。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

3.1 數(shù)字濾波

在前端數(shù)據(jù)采集過程中，易受到外界環(huán)境和測試者本身的影響，單一的數(shù)字濾波無法真正做到去除大量雜質。人體心率頻率在0.5～2 Hz，本文通過對比多種濾波處理方法去除雜質情況，最終選取低通濾波器和高通濾波器共同進行濾波，濾波的具體算法如下：

3.2 心率計算

在不同年齡階段，有不同的心率測試標準范圍，在使用之前，應先設置使用者的年齡和性別，然后進入初始化狀態(tài)，開始測試心率信號。本文截取一段時間內(nèi)的心率信號進行計算，當手指剛接觸傳感器時，會由于觸碰姿勢或手誤錯按傳感器導致測試數(shù)據(jù)不準確，因此去除前3 s脈搏數(shù)據(jù)后，在測量心率信號時，至少會出現(xiàn)一次波峰，心率異常者出現(xiàn)的波峰值較多。本文通過定義幅值函數(shù)和時間函數(shù)，計算出幅值中的信號點，即為單位時間內(nèi)的心率值。首先定義幅值函數(shù)，如圖5所示的幅值分布函數(shù)為：

再將得到的數(shù)據(jù)進行不同性別和年齡階段的分析，本文設計主要針對老年人、中年女性和中年男性。當所測得數(shù)據(jù)不在心率安全范圍時，會將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機并警報；當所測得的數(shù)據(jù)在心率安全范圍時，直接傳送給上位機。這樣可以方便使用者或醫(yī)務人員將心率值作為參考，同時也可以時刻關注使用者的健康狀態(tài)，避免一些突發(fā)疾病發(fā)生。通過電腦端串口助手觀察出此時的人體心率如圖7所示。

3.3 遠程數(shù)據(jù)傳輸

本文需要通過雙向Socket通信進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的相互作用，實現(xiàn)服務器端一直監(jiān)聽網(wǎng)絡端口。當數(shù)據(jù)發(fā)送請求時，服務器端會自動開啟服務進程來響應這個請求，同時服務器繼續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡端口，可使后來的數(shù)據(jù)請求能及時得到回應，數(shù)據(jù)傳輸過程中使用TCP，IP和UDP三種協(xié)議。本文采用TCP協(xié)議。

當Socket進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，調(diào)用Bind函數(shù)對Socket配置本地信息，建立Connect函數(shù)與Socket網(wǎng)絡連接，以便隨時監(jiān)聽端口的服務請求信息，當面向客戶端連接時，建立一個TCP協(xié)議進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，其中recv（）和send（）兩個函數(shù)在Socket上遠程傳輸數(shù)據(jù)。將send（）實際發(fā)送數(shù)據(jù)返回值與欲發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較，當返回值與len（）函數(shù)不匹配時，應進行如下處理：

4 實驗測試

本實驗隨機選取3名實驗者分別以3種運動狀態(tài)進行測量對比。為了得到準確數(shù)據(jù)，在試驗前讓3名試驗者放松心情、保持穩(wěn)定情緒。當試驗者完成每一個動作時，用標準的醫(yī)療設備和本文設計同時對試驗者測量對比，記錄數(shù)據(jù)，分析對比本文設計得到數(shù)據(jù)的準確性，計算出心率數(shù)值的誤差，對比本設計的準確性。硬件系統(tǒng)的操作結果如表1所示，由實驗得出，該心率計的監(jiān)測準確度極高。

5 結 論

本文設計根據(jù)光敏傳感器設計的心率讀取模塊進行前端數(shù)據(jù)采集，外圍電路設計具有信號轉換、放大電路和數(shù)/模轉換，但對于測試過程中，人體本身和環(huán)境影響會對心率信號產(chǎn)生干擾信號，通過低通濾波器和高通濾波器后得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，然后計算出的心率值發(fā)送給遠程監(jiān)控終端。本文設計模塊可放置于任何智能穿戴產(chǎn)品中，整體系統(tǒng)具有功耗低、體積小和性價比高的優(yōu)點，經(jīng)過多次試驗對比，驗證了本文設計的可實用性和有效性，為智能穿戴領域心率產(chǎn)品研究提供了基礎。

參考文獻

[1] 張亞，趙群.一種單片機攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制[J].測控技術，2010，30（6）：1?4.

[2] 張強，忻尚芝，邢斌.基于S3C2440A的無創(chuàng)血氧檢測系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2013，39（6）：67?69.

[3] 于巍，古慶恩，李信政，等.無創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測量技術及進展[J].醫(yī)療設備信息，2007，22（9）：49?52.

[4] 張彬.基于脈搏波的血氧飽和度檢測算法研究[D].北京：北京交通大學，2009：46?48.

[5] 于洪波，劉鴻飛，方麗英，等.基于Web服務的物聯(lián)接入系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2015，41（7）：33?36.

[6] 李建林，王立喬，李彩霞，等.基于現(xiàn)場可編程門陣列的多PWM波形發(fā)生器[J].中國電機工程學報，2005，25（10）：55?59.

[7] 王紅琳，常翠寧，李志南，等.改進教與學優(yōu)化算法的IIR數(shù)字濾波器設計[J].計算機仿真，2015，32（11）：259?263.