智能心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉宇紅　李月婷　何國(guó)鋒　姜成旭

摘 要： 設(shè)計(jì)一款智能心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于老年人和中年人的智能穿戴領(lǐng)域，其便攜式的心率測(cè)量使用方便。采用反射式光電傳感器作為前端信號(hào)采集，將得到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，經(jīng)過(guò)心率計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給監(jiān)控終端，可實(shí)現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)接收到的心率測(cè)量數(shù)據(jù)不在人體心率安全范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)報(bào)警，可及時(shí)避免突發(fā)疾病因時(shí)間耽誤急救。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)試驗(yàn)對(duì)比，表明此設(shè)計(jì)的智能心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、高精度和可行性。

關(guān)鍵詞： 反射式光電傳感器； 智能穿戴設(shè)備； 高精度數(shù)字濾波； 信號(hào)采集

中圖分類號(hào)： TN931+.3?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(lái)隨著生活水平的提高和生活壓力的增大，人們開始更加關(guān)注自身健康狀況，智能穿戴產(chǎn)品已進(jìn)入大眾生活，市面上出現(xiàn)各種測(cè)量身體生理參數(shù)的智能穿戴產(chǎn)品，但多數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)量和睡眠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)年輕人，發(fā)病的主要原因是生理的基本參數(shù)沒(méi)有得到及時(shí)的監(jiān)測(cè)，其心率作為最重要的生理參數(shù)，將成為可穿戴設(shè)備中的必要功能?？纱┐髟O(shè)備可將對(duì)人體監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控終端，及時(shí)觀察人體的健康情況。

目前醫(yī)院測(cè)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(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出人體的心率參數(shù)，但對(duì)于日常生活中不方便使用；而可穿戴式使用起來(lái)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(cè)系統(tǒng)，通過(guò)遠(yuǎn)程通信傳輸給親屬或社區(qū)醫(yī)院，以便時(shí)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(guò)心率信息判斷出心率輸出量、算出休克指數(shù)和估計(jì)出心肌耗氧數(shù)。

本文設(shè)計(jì)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(diǎn)，外圍電路設(shè)計(jì)有信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等功能[1]。通過(guò)對(duì)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(hào)雜質(zhì)。本文主要通過(guò)研究前端信號(hào)采集、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、算法處理和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸來(lái)完成整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用人體生物組織在血液搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏測(cè)量，根據(jù)這一特性實(shí)現(xiàn)對(duì)于脈搏信號(hào)的采集[2]。其脈搏測(cè)量具有多種方法，但得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是濾波處理和算法處理這兩個(gè)關(guān)鍵性過(guò)程。本文采用光敏傳感器和外圍電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

本文系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)獨(dú)立式模塊展示，整體結(jié)構(gòu)主要采用了前端信號(hào)采集模塊、微處理器模塊、串口通信模塊、Socket無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸和監(jiān)控終端進(jìn)行的整體融合設(shè)計(jì)。其脈搏采集模塊作為前端，因手指指尖處血管豐富，測(cè)量時(shí)可采用指尖，主要根據(jù)脈搏血液流動(dòng)產(chǎn)生的容積變化，會(huì)隨著人體心臟呈現(xiàn)周期性的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)心臟收縮時(shí)，血液容積會(huì)變大，心臟舒張時(shí)，血液容積會(huì)變小，根據(jù)血液容積的周期性變化來(lái)反應(yīng)采集脈搏信號(hào)的周期性變化。

本文系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)微處理器STM32將采集到的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波等處理，再將得到的穩(wěn)定數(shù)據(jù)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的心率計(jì)算出此時(shí)使用者的心率值，通過(guò)Socket無(wú)線通信將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸給監(jiān)控終端，得以觀察使用者的實(shí)時(shí)心率情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(guò)SPI通信連接，通過(guò)數(shù)據(jù)同步串行傳輸實(shí)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(yīng)用的是光敏傳感器，外圍設(shè)計(jì)具有A/D轉(zhuǎn)換的低噪聲接收通道、LED發(fā)射裝置、內(nèi)部監(jiān)測(cè)的診斷功能、低抖動(dòng)時(shí)鐘、外部晶振提供的振蕩器和SPI接口與外界連接。本文設(shè)計(jì)在血氧信號(hào)采集過(guò)程中，應(yīng)用模塊獨(dú)立式的解決方案，將信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大電路和濾波處理作為人體心率參數(shù)的前端信號(hào)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(zhǎng)整體系統(tǒng)使用時(shí)間。該方案滿足便攜式心率計(jì)低功耗、體積小的設(shè)計(jì)，心率讀取模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(diǎn)[3]。在整體設(shè)計(jì)中，MCU主要對(duì)前端采集模塊的數(shù)據(jù)讀取后，進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，通過(guò)算法計(jì)算出此時(shí)人體的心率值，再將數(shù)據(jù)通過(guò)Socket無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給手機(jī)APP或者上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)主要研究工作是對(duì)前端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、計(jì)算出心率值和遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。其根據(jù)嵌入式系統(tǒng)主要由通信進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，使各個(gè)模塊程序進(jìn)入初始化，前端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行心率計(jì)算，計(jì)算出此時(shí)使用者的心率數(shù)值，將數(shù)據(jù)通過(guò)Socket無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(guò)程中，易受到外界環(huán)境和測(cè)試者本身的影響，單一的數(shù)字濾波無(wú)法真正做到去除大量雜質(zhì)。人體心率頻率在0.5～2 Hz，本文通過(guò)對(duì)比多種濾波處理方法去除雜質(zhì)情況，最終選取低通濾波器和高通濾波器共同進(jìn)行濾波，濾波的具體算法如下：

3.2 心率計(jì)算

在不同年齡階段，有不同的心率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)范圍，在使用之前，應(yīng)先設(shè)置使用者的年齡和性別，然后進(jìn)入初始化狀態(tài)，開始測(cè)試心率信號(hào)。本文截取一段時(shí)間內(nèi)的心率信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)手指剛接觸傳感器時(shí)，會(huì)由于觸碰姿勢(shì)或手誤錯(cuò)按傳感器導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此去除前3 s脈搏數(shù)據(jù)后，在測(cè)量心率信號(hào)時(shí)，至少會(huì)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(guò)定義幅值函數(shù)和時(shí)間函數(shù)，計(jì)算出幅值中的信號(hào)點(diǎn)，即為單位時(shí)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(jìn)行不同性別和年齡階段的分析，本文設(shè)計(jì)主要針對(duì)老年人、中年女性和中年男性。當(dāng)所測(cè)得數(shù)據(jù)不在心率安全范圍時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)并警報(bào)；當(dāng)所測(cè)得的數(shù)據(jù)在心率安全范圍時(shí)，直接傳送給上位機(jī)。這樣可以方便使用者或醫(yī)務(wù)人員將心率值作為參考，同時(shí)也可以時(shí)刻關(guān)注使用者的健康狀態(tài)，避免一些突發(fā)疾病發(fā)生。通過(guò)電腦端串口助手觀察出此時(shí)的人體心率如圖7所示。

3.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

本文需要通過(guò)雙向Socket通信進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的相互作用，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端一直監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端口。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端會(huì)自動(dòng)開啟服務(wù)進(jìn)程來(lái)響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，同時(shí)服務(wù)器繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)端口，可使后來(lái)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求能及時(shí)得到回應(yīng)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中使用TCP，IP和UDP三種協(xié)議。本文采用TCP協(xié)議。

當(dāng)Socket進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，調(diào)用Bind函數(shù)對(duì)Socket配置本地信息，建立Connect函數(shù)與Socket網(wǎng)絡(luò)連接，以便隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)端口的服務(wù)請(qǐng)求信息，當(dāng)面向客戶端連接時(shí)，建立一個(gè)TCP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，其中recv（）和send（）兩個(gè)函數(shù)在Socket上遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)。將send（）實(shí)際發(fā)送數(shù)據(jù)返回值與欲發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)返回值與len（）函數(shù)不匹配時(shí)，應(yīng)進(jìn)行如下處理：

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取3名實(shí)驗(yàn)者分別以3種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比。為了得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)前讓3名試驗(yàn)者放松心情、保持穩(wěn)定情緒。當(dāng)試驗(yàn)者完成每一個(gè)動(dòng)作時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備和本文設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)試驗(yàn)者測(cè)量對(duì)比，記錄數(shù)據(jù)，分析對(duì)比本文設(shè)計(jì)得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計(jì)算出心率數(shù)值的誤差，對(duì)比本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。硬件系統(tǒng)的操作結(jié)果如表1所示，由實(shí)驗(yàn)得出，該心率計(jì)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度極高。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)根據(jù)光敏傳感器設(shè)計(jì)的心率讀取模塊進(jìn)行前端數(shù)據(jù)采集，外圍電路設(shè)計(jì)具有信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換，但對(duì)于測(cè)試過(guò)程中，人體本身和環(huán)境影響會(huì)對(duì)心率信號(hào)產(chǎn)生干擾信號(hào)，通過(guò)低通濾波器和高通濾波器后得到穩(wěn)定數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出的心率值發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。本文設(shè)計(jì)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(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的可實(shí)用性和有效性，為智能穿戴領(lǐng)域心率產(chǎn)品研究提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張亞，趙群.一種單片機(jī)攜式脈搏血氧飽和度測(cè)量?jī)x的研制[J].測(cè)控技術(shù)，2010，30（6）：1?4.

[2] 張強(qiáng)，忻尚芝，邢斌.基于S3C2440A的無(wú)創(chuàng)血氧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（6）：67?69.

[3] 于巍，古慶恩，李信政，等.無(wú)創(chuàng)傷脈搏血氧飽和度測(cè)量技術(shù)及進(jìn)展[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2007，22（9）：49?52.

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

[5] 于洪波，劉鴻飛，方麗英，等.基于Web服務(wù)的物聯(lián)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（7）：33?36.

[6] 李建林，王立喬，李彩霞，等.基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的多PWM波形發(fā)生器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（10）：55?59.

[7] 王紅琳，常翠寧，李志南，等.改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，32（11）：259?263.