一種心率監(jiān)測系統(tǒng)的設計

張家龍,汪 洋，張震宇

(浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，杭州 310023)

一種心率監(jiān)測系統(tǒng)的設計

張家龍,汪 洋，張震宇

(浙江科技學院 自動化與電氣工程學院，杭州 310023)

老年人出現(xiàn)心率不穩(wěn)定時，可能會有潛在的安全隱患。為更好地關注老年人的身體健康，設計了一種心率監(jiān)測系統(tǒng)：由心率監(jiān)測器、計算機、云數(shù)據(jù)庫及移動終端等構成，心率監(jiān)測器實現(xiàn)心率采集、自動報警等功能，將采集得到的相關數(shù)據(jù)傳輸給計算機，然后由計算機軟件通過因特網(wǎng)存儲至云數(shù)據(jù)庫，供醫(yī)療人員查詢、統(tǒng)計及分析，移動終端則可以主動查詢心率監(jiān)測器的工作數(shù)據(jù)。首先簡要介紹系統(tǒng)的整體構成及硬件設計，給出并分析關鍵電路；然后詳細闡述計算機軟件及云數(shù)據(jù)庫的設計思路；最后通過分析系統(tǒng)實際運行效果，驗證系統(tǒng)的有效性。相較于現(xiàn)有同類產(chǎn)品，本系統(tǒng)功能上得到了進一步的提升。

心率監(jiān)測；單片機；C#；SQL；云數(shù)據(jù)庫

近年來，隨著人們生活水平的提高，中國正進入老齡化社會[1]，老年人數(shù)量逐步增長。心臟疾病是在老年人群體中存在較多的一種典型病癥，具有突發(fā)性、緊急性及高危性等特點[2-3]。當心臟工作不正常時，心率值也會隨之發(fā)生改變，因此，為切實地關愛老年人的身體健康，有必要對老年人的心率變化進行有效監(jiān)測。

通過查閱相關文獻資料[4-8]了解到，目前絕大部分心率監(jiān)測系統(tǒng)僅實現(xiàn)了簡單的心率采集與顯示等功能，實用價值有限。為此，筆者應用傳感器、藍牙、單片機，以及計算機軟件與數(shù)據(jù)庫等技術，設計了一種心率監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)心率采集及本地與遠程主動報警等功能，還能將采集得到的相關數(shù)據(jù)傳輸給計算機，然后由計算機通過因特網(wǎng)存儲至云端數(shù)據(jù)庫，并生成數(shù)據(jù)動態(tài)變化曲線，在醫(yī)療人員分析患者病情時可作為重要的參考依據(jù)，相較于現(xiàn)有同類產(chǎn)品，功能上得到了進一步的完善和提升。

1 系統(tǒng)整體構成及硬件設計

系統(tǒng)整體上由心率監(jiān)測器、計算機、云數(shù)據(jù)庫及移動終端等構成，如圖1所示。在實際使用時，老年人用戶佩戴1個心率監(jiān)測器，心率監(jiān)測器按設定的工作周期定時采集用戶的心率數(shù)據(jù)并保存，用戶的監(jiān)護人(比如老年人的子女)可用手機作為移動終端。心率監(jiān)測器支持心率安全值范圍設置，若當前測得的心率數(shù)據(jù)超出了設置值，則啟動本地報警(燈光閃爍、馬達振動)與遠程通知(撥打監(jiān)護人手機號碼、發(fā)送報警短信到監(jiān)護人手機號碼)功能。若監(jiān)護人想主動查詢用戶的當前心率數(shù)據(jù)，可通過移動終端發(fā)送特定格式的短信到心率監(jiān)測器，心率監(jiān)測器會將當前的心率值及其附加信息(是否超安全值范圍)回復給移動終端。若要將心率監(jiān)測器內(nèi)業(yè)已保存的歷史數(shù)據(jù)上傳到云端，首先在心率監(jiān)測器與計算機之間建立藍牙連接，然后操作計算機軟件，即可將相關數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)上傳到云數(shù)據(jù)庫進行存儲。醫(yī)療人員可通過訪問特定域名的網(wǎng)頁，對上述數(shù)據(jù)進行遠程查詢、統(tǒng)計和分析，并可在線生成數(shù)據(jù)動態(tài)變化曲線圖，查看方便、直觀。

心率監(jiān)測器硬件構成如圖2所示，包括鋰電池、電源電路、心率采集電路、時鐘電路、EEPROM電路、GSM電路、報警電路、按鍵、藍牙傳輸電路及單片機等。

圖1 系統(tǒng)整體構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the whole system

圖2 心率監(jiān)測器硬件構成示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware composition for the heart rate monitor

心率監(jiān)測器采用容量為3 000 mA·h的聚合物鋰電池供電，電池額定電壓為3.7～4.2 V，由于相關功能電路的額定工作電壓均為3.3 V，因此設計了以ASM1117-3.3芯片為核心的電源電路，將3.7 V電壓降到恒穩(wěn)的3.3 V。

為獲得準確的心率信號，基于光電反射原理設計出的心率采集電路如圖3所示。選用的光電式心率傳感器型號為SON1303[9]，該芯片內(nèi)部的LED光源發(fā)射出波長為570 nm的綠光，透過皮膚照射到用戶的血管上，根據(jù)光電反射原理，不同的心率將使傳感器內(nèi)部的接收單元接收到不同的光強，進而輸出不同的電壓Vout，將Vout經(jīng)濾波后送入四精密運放SON3130進行遲滯、比較等處理，得到數(shù)字信號HEART_OUT。為實現(xiàn)低功耗，還設計了電源控制電路，待機時，單片機的HEART引腳輸出1，Q1截止，電路不工作；要測量心率時，HEART引腳輸出0，Q1導通，電路正常工作。將HEART_OUT送入到單片機的計數(shù)器引腳，由單片機程序進行運算處理，完成心率采集。

圖3 心率采集電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of heart rate acquisition circuit

圖4 報警電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of alarm circuit

為實現(xiàn)定時采集，并將采集到的心率值與對應的實時時間值相關聯(lián)，特采用DS1302作為時鐘電路，單片機開啟定時器，周期性地讀取DS1302輸出的時間值，每到1個整點小時，采集1次心率。心率值與對應的時間值在單片機程序的控制下寫入外部EEPROM(型號為AT24C08)，一定時間段內(nèi)的相關數(shù)據(jù)就能做到掉電保存不丟失。存儲時，每1幀數(shù)據(jù)的格式為：心率值-對應時間值。其中，心率值為1 byte，對應時間值為4 byte(順序為年、月、日、時，各為1 byte)。GSM電路采用SIM800L，插SIM卡使用，其作用主要是接收、發(fā)送短信息，以及撥打指定的電話號碼。

當測得的心率值超出設置值時，紅色LED1亮起，同時馬達B1振動，設計的報警電路如圖4所示。

此外，系統(tǒng)還設計有3個按鍵，用于設置心率安全值范圍?？紤]到低功耗要求，藍牙傳輸電路采用CC2540[10]，單片機采用MSP430F169[11]。這2款芯片是TI(Texas Instruments)公司的產(chǎn)品，功耗非常低，可以滿足系統(tǒng)使用的要求。

2 計算機軟件設計

計算機軟件設計在Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下用C#進行編程，同時結合SQL語句實現(xiàn)與網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的信息交互[12-14]。按照功能模塊劃分，軟件設計包括界面設計和功能設計2個方面。

2.1 界面設計

界面設計分為登錄界面設計和主體界面設計。

圖5 登錄界面Fig.5 Login interface

用戶點擊“注冊新會員”或“忘記密碼”時，軟件會通過默認瀏覽器自動打開指定域名的網(wǎng)頁，然后引導用戶在線完成相應操作。用戶注冊成功后，可通過如圖5所示的登陸界面，以用戶名和密碼方式進行登錄[12]，登錄成功后進入主體界面。

主體界面如圖6所示，該界面可分為控制欄(由Button控件構成)、心率數(shù)據(jù)表(由ListView控件構成)和記錄查詢區(qū)(由ListView控件構成)3部分。軟件設計有事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、記錄查詢和鏈接網(wǎng)頁4個按鈕。

圖6 主體界面Fig.6 Main interface

2.2 功能設計

軟件的功能設計包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、記錄查詢和鏈接網(wǎng)頁4個部分。

圖7 數(shù)據(jù)采集工作流程圖Fig.7 Flowchart of data acquisition

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

計算機與心率監(jiān)測器分別連接1個藍牙傳輸電路模塊，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸采用藍牙通信方式。數(shù)據(jù)采集功能的主要工作流程如圖7所示，當用戶點擊“數(shù)據(jù)采集”按鈕后，軟件首先遍歷串口，并通過BluetoothClient、BluetoothListener等類對2個藍牙模塊進行匹配[16]。然后，計算機發(fā)送握手信號給心率監(jiān)測器，心率監(jiān)測器回復應答信號，計算機收到此應答信號后，表明通信成功建立，軟件彈出提示框，用戶點擊確定后，計算機即一次性地將心率監(jiān)測器數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的所有相關數(shù)據(jù)讀取完畢。數(shù)據(jù)采集功能的主要工作流程如圖7所示。

有必要說明的是，由于心率監(jiān)測器的心率值及其對應的時間值是以十六進制格式存儲的，為符合用戶的查看習慣，計算機軟件讀取完畢后，需將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制格式，并進行分割和排序。最后，計算機將讀取到的數(shù)據(jù)按時間整點順序，以升序列于心率數(shù)據(jù)表內(nèi)，同時“數(shù)據(jù)采集”按鈕變?yōu)椤巴Ｖ埂卑粹o，用戶點擊“停止”按鈕，即可斷開與心率監(jiān)測器的連接。圖8所示為某次數(shù)據(jù)采集的實測展示。

圖8 數(shù)據(jù)采集實測展示Fig.8 Display of measured heart rate data

圖9 數(shù)據(jù)上傳流程圖Fig.9 Flowchart of data upload

2.2.2 數(shù)據(jù)上傳

數(shù)據(jù)上傳工作流程如圖9所示，當用戶點擊“數(shù)據(jù)上傳”按鈕后，軟件首先按用戶名和密碼方式訪問云端SQL數(shù)據(jù)庫并建立連接[17]，然后判斷是否存在存儲數(shù)據(jù)的heartrate表，若不存在，則創(chuàng)建表格并插入相應心率數(shù)據(jù)；若已存在，則直接將分幀處理后的數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)上傳到數(shù)據(jù)庫中，上傳完畢后給出相應的消息框提示。圖10所示為實測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的存儲格式，例如在2016年7月12日，0點時采集到該用戶的心率是70，1點時采集到的是68，等等。

圖10 數(shù)據(jù)存儲示意圖Fig.10 Schematic diagram of data storage

2.2.3 記錄查詢、鏈接網(wǎng)頁

用戶要查看歷史心率數(shù)據(jù)時，軟件支持2種方式：

2.2.3.1 點擊“記錄查詢” 在彈出的月歷(MonthCalenda控件)中選擇特定日期后，軟件會以列表形式在記錄查詢區(qū)顯示歷史心率值及其對應時間信息。圖11所示為某次實際查詢結果展示。

2.2.3.2 點擊“鏈接網(wǎng)頁” 軟件通過默認瀏覽器自動打開指定域名的網(wǎng)頁，用戶通過用戶名和密碼方式成功登錄后，即可在線查詢心率動態(tài)變化曲線圖，相較于“記錄查詢”，“鏈接網(wǎng)頁”查看更為直接。為生成此曲線圖，軟件首先利用直譯式腳本語言JavaScript在HTML網(wǎng)頁中增加動態(tài)功能[18]，然后通過JS調(diào)用類庫，根據(jù)要產(chǎn)生曲線圖的數(shù)據(jù)源，合理設定橫、縱坐標軸的數(shù)據(jù)標簽，接著將相關數(shù)據(jù)標定到曲線圖面積區(qū)域內(nèi)的相應位置，最后實現(xiàn)各點間的連線，完成曲線圖的繪制。用戶可根據(jù)需要查看選定時間內(nèi)的心率動態(tài)變化曲線圖。圖12所示為2016年7月12日某用戶的實測曲線圖。

圖11 記錄查詢結果展示Fig.11 Result of historic record inquiry

圖12 實測心率變化曲線Fig.12 Measured change curve of heart rates

3 云數(shù)據(jù)庫設計

為實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)本地與網(wǎng)絡共享，以便于數(shù)據(jù)的存儲與異地查詢，系統(tǒng)采用云端SQL數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)的存儲后臺，通過已注冊的用戶名和密碼(即SQL Server身份驗證方式)對云服務器進行訪問?？紤]到數(shù)據(jù)庫的安全性、可拓展性及可自行維護等要求，按照典型的三層結構的系統(tǒng)架構，結合網(wǎng)頁的后臺設定，采用新奧爾良(New Orleans)方法進行設計。首先進行需求分析，分析計算機軟件與相關網(wǎng)頁的業(yè)務和數(shù)據(jù)處理需求；其次進行概要設計，設計數(shù)據(jù)庫的部分E-R模型圖，確認需求信息的正確、完整；最后進行詳細的邏輯設計、數(shù)據(jù)庫物理設計，從而完成數(shù)據(jù)庫的設計。

在數(shù)據(jù)庫設計中，首先確定數(shù)據(jù)庫要管理的關鍵實體，標識每個實體的屬性，建立實體與實體之間的關系，然后將各實體轉(zhuǎn)換為對應的表，將各屬性轉(zhuǎn)換為各表對應的列，即創(chuàng)建實體聯(lián)系圖，最終建立起存儲各類不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表。例如，pa_member對應實體為存儲的用戶名、密碼與郵箱地址等基本信息，heartrate對應實體為存儲的不同用戶、不同時間的心率數(shù)據(jù)。通過T-SQL語句將從心率監(jiān)測器獲得的相關數(shù)據(jù)寫入heartrate表中，在進行heartrate表內(nèi)設計時，使每個用戶、每天24 h對應1條記錄，將24個心率數(shù)據(jù)依次存儲于1個單元格內(nèi)。這種設計方式一方面符合網(wǎng)頁生成曲線圖的要求，另一方面是占用更少的存儲空間和降低冗余度。

4 測試結果

為驗證系統(tǒng)的有效性，對心率傳感器進行了測試，方法是對比脈搏計數(shù)和傳感器測量結果。

圖13 心率傳感器實測波形圖Fig.13 Measured waveform of heart rate sensor

將心率安全值范圍人為地設為70～75(為便于驗證功能)，經(jīng)多次測試，當心率低于70或高于75時，本地報警與遠程通知功能均正常：紅色LED1亮起，馬達B1振動，同時綁定號碼的移動終端能收到電話和短信提示。此外，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳及心率曲線生成等軟件功能也全部工作正常，這表明系統(tǒng)工作準確、有效。

文中給出的相關展示圖均為實測所得。

5 結 論

筆者結合當前社會老齡化發(fā)展趨勢，從關注老年人身體健康的實際需求出發(fā)，設計的心率監(jiān)測系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了心率采集、報警及遠程數(shù)據(jù)處理等功能，相較于現(xiàn)有同類產(chǎn)品，功能上得到了進一步的提升，因而具有一定應用價值。本系統(tǒng)涉及的核心技術可推廣應用到其他相關領域，可作為相關方案設計的參考。

[1] 王志寶,孫鐵山,李國平.近20年來中國人口老齡化的區(qū)域差異及其演化[J].人口研究,2013,37(1):66.

[2] 方佳英,陳霖祥,唐文瑞,等.2002～2011年中國心臟病死亡的流行病學分析[J].汕頭大學醫(yī)學院學報,2014,27(2):125.

[3] 張紅新.65歲以上老年人心電圖普查的結果分析[J].中國處方藥,2014,12(5):89.

[4] 劉勁松,朱純午,楊莉.一種基于STM32和PPG技術的腕戴式心率計設計[J].電子技術應用,2016,42(10):62.

[5] 鄭和.基于MSP430G2553便攜式脈搏測試儀的設計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2015,11(22):97.

[6] 鄭開明.基于單片機設計的心率檢測儀[J].電腦知識與技術,2012,8(6):1431.

[7] 龔元,曹瑾,羅澤惠,等.基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心電監(jiān)測儀[J].中國醫(yī)療器械雜志,2015,39(4):240.

[8] 吳振宇,李華龍,李航.基于藍牙4.0和GSM的無線心率監(jiān)測儀設計[J].計算機測量與控制,2015,23(2):664.

[9] 松恩電子有限公司.SON1303心率傳感器[EB/OL].(2015-06-02)[2017-3-24].https://wenku.baidu.com/view/5dab14e70b1c59eef9c7b40e.html.

[10] Texas Instruments. 2.4-GHz Bluetooth low energy System-on-Chip(Rev.F)[EB/OL].(2013-06-24)[2017-03-24].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2540.pdf.

[11] Texas Instruments. MSP430F15x,MSP430F16x,MSP430F161x Mixed Signal Microcontroller (Rev. G) [EB/OL]. (2011-03-02) [2017-03-24]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f169.pdf.

[12] 丁士峰.C#典型模塊與項目實戰(zhàn)大全[M].北京:清華大學出版社,2012.

[13] WILLIAM R.C#開發(fā)人員手冊[M].邱仲潘,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[14] 姜桂洪,孫福振,曹雁鋒.SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫應用與開發(fā)[M].北京:清華大學出版社,2015.

[15] 王倩麗.基于C#技術的MD5加密算法的應用[J].西安航空技術高等?？茖W校學報,2010,28(5):37

[16] 章建科,王治森,董伯麟,等.基于藍牙和Windows CE.NET的數(shù)控系統(tǒng)編程和通信技術[J].中國機械工程,2007,18(11):1321.

[17] 王逾西.動態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)庫連接技術[J].天津市財貿(mào)管理干部學院學報,2010,12(1):41.

[18] 彭愿,吳阿丹,董興鵬,等.用JavaScript實現(xiàn)網(wǎng)頁曲線圖動態(tài)信息顯示[J].軟件,2012,33(1):98.

Designofaheartratemonitoringsystem

ZHANG Jialong, WANG Yang, ZHANG Zhenyu

(School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

In case the heart rate of the elderly is unstable, a potential safety hazard may occur. In order to pay more attention to the health of the elderly, a heart rate monitoring system is designed, which is composed of a heart rate monitor, a computer, a cloud database and a mobile terminal. The heart rate monitor can fulfill the functions of heart rate acquisition and automatic alarm, and transmit the collected data to the computer, which is subsequently stored in the cloud database by computer software, and accessible to medical staff for inquiry, statistics and analysis. Meanwhile, the working data of the heart rate monitor can be automatically inquired by the mobile terminal. Firstly, the overall structure and hardware design of the system are introduced, with the key circuits presented and analyzed. Secondly, the design concepts of the computer software and cloud database are expounded in detail. Finally, the effectiveness of the system is verified through the actual operating of the system. Compared with existing similar products, the function of the system has been further improved.

heart rate monitoring; MCU; C#; SQL; cloud database

TP274.2

A

1671-8798(2017)06-0442-08

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.06.008

2017-05-18

張震宇(1976— )，男，浙江省蘭溪人，副教授，碩士，主要從事測量與控制、無線通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究。E-mail:zhangzhenyu@zust.edu.cn。