基于STM32的生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設計

尹繼武， 付 奎

(1.陜西理工大學 物理與電信工程學院， 陜西 漢中 723000；2.漢中職業(yè)技術學院 機電工程系， 陜西 漢中 723000)

近年來，我國社會老齡化程度越來越高，亞健康人口規(guī)模不斷擴大，心血管疾病人群數(shù)量不斷攀升，人們對心血管疾病的預防與監(jiān)測越來越重視。隨著科學技術的發(fā)展，心電監(jiān)測設備已經(jīng)成為醫(yī)生診斷心臟疾病的主要手段[1-5]，在醫(yī)院和家庭中應用越來越廣泛。

近年，我國在可穿戴式心電監(jiān)測設備研究方面取得了很大成就，但現(xiàn)有的生理檢測儀價格比較昂貴，測量數(shù)據(jù)單一，需要專門的醫(yī)護人員進行操作。所以設計一款操作比較方便，能及時測量人體各種參量的生理監(jiān)護設備顯得尤為重要[6-10]。本文提出了一種基于STM32單片機的生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時記錄患者的脈搏、血壓、血氧等生理參數(shù)，可以在心率、血壓異常時報警，并能在計算機上實時顯示用戶的健康數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，上位機工作為LabVIEW連接PC機串口，讀取藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行解包，提取出各項生理數(shù)據(jù)，以圖形和數(shù)據(jù)的方式直觀地顯示在上位機界面上。同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線模塊，由無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至PC上位機，可實時顯示脈搏曲線、心率、血壓以及其他生理數(shù)據(jù)，并具有參數(shù)異常時報警指示的功能。下位機包括脈搏檢測、血壓檢測、單片機控制及其他外設交互部分。無線生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)采用STM32作為核心控制器件，A/D轉換后的數(shù)據(jù)通過STM32進行運算分析處理后，轉化為心率、血壓值，將各項參數(shù)顯示在LED液晶屏上，并實時檢測各項參數(shù)是否正常，如果不正常則驅動報警電路進行報警指示并驅動液晶屏顯示相應的數(shù)據(jù)。STM32對得到的生理數(shù)據(jù)進行打包，然后通過串口將數(shù)據(jù)包傳輸給無線藍牙模塊，藍牙模塊則將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絇C端。使用SFH7050傳感器采集心臟搏動信號，然后經(jīng)過AD8552運算放大器進行濾波放大，并送入單片機進行A/D轉換。血壓檢測是通過單片機控制袖帶充放氣，然后用XGZP101SB1獲取袖帶壓力值，由于壓力傳感器輸出的是差分信號，因此通過差分放大并濾波后，送入單片機的A/D轉換模塊。整個系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

1.1 SFH7050的脈搏信號采集電路

系統(tǒng)采用芯片SFH7050來測量脈搏信號，進而得出心率、血氧濃度等生理參數(shù)，SFH7050耗能少，適合集成到健身臂帶、智能手表或智能手機中。其測量原理是利用血液對光的吸收導致輸出電壓變化進行測量。該傳感器集成了綠光、紅光、紅外LED各一顆，同時集成了一顆光電二極管，檢測器記錄反射回來的光強量轉化為電流信號大小的變化，信號的周期可指示出脈率。三種LED用于身體不同部位測量，如果傳感器夾在手指，紅外光和紅光交替變化，通過反射回來不同的光電信號可以計算出血氧的飽和度。傳感器電路在每只發(fā)光二極管串聯(lián)一個510 Ω的電阻用來限流，信號由PC引腳輸出，通過電容耦合到運放的輸入端。SFH7050傳感器電路如圖2所示。

圖2 SFH7050傳感器電路

圖3 血壓信號放大電路

1.2 血壓信號放大電路設計

血壓信號放大電路是把XGZP101SB1傳感器輸出的微弱差分信號進行放大，輸出放大的信號要能滿足A/D轉換的要求。系統(tǒng)A/D轉換使用STM32內部A/D轉換模塊，所以要求放大器的輸出為0～3.3 V。為了測量的準確性，放大電路設計時應保證輸入級是高阻抗，輸出級是低阻抗，需要有高的抑制共模干擾的能力，設計中采用AD620儀表放大器進行了有效設計[11-16]。設計放大電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括單片機下位機程序編寫和上位機LabVIEW程序設計。下位機部分主要有生理信號的采集處理程序，心率、血氧、血壓等參數(shù)的計算，通信協(xié)議設計，STM32主控以及相關外圍設備的驅動程序設計，還包括LED液晶屏顯示模塊、FLASH存儲模塊、藍牙無線通信模塊等。上位機軟件部分主要是波形顯示、生理參數(shù)相關數(shù)據(jù)顯示等。

生理參數(shù)檢測需要測量多項生理數(shù)據(jù)，針對不同的生理信號，可以采取不同的編程算法。設計中對脈搏、血氧、血壓3種生理信號進行了采集。脈搏、血氧信號采集采用同一個SFH7050光電傳感器，可以滿足脈搏和血氧的同時測量。采集到的信號通過放大電路進行放大和濾波電路對噪聲濾除后，送入STM32的數(shù)模轉換模塊通道0進行A/D轉換，按照相應的算法進行處理得到相應的脈搏值。

血氧飽和度就是氧和血紅蛋白在動脈血液中所占的百分比。血氧信號采集的工作原理是STM32驅動血氧探頭兩個LED光源交替發(fā)出紅光、紅外光和暗光三種狀態(tài)透過手指，透過手指的光強變化由光電二極管轉換為電信號變化，并將此電信號經(jīng)過運算放大器放大濾波后送到STM32的AD0通道中進行模數(shù)轉換，轉換之后的數(shù)據(jù)即為血氧脈搏波形數(shù)據(jù)。測量程序采用定時中斷，先點亮紅燈，等其穩(wěn)定后開始采集脈沖，當采集完8次后停止采集，然后對這8次數(shù)據(jù)進行均值濾波處理而得到了原始的紅光信號電壓值vs_heart_signal。為了得到交流信號AC，需要先得到直流信號，這里采用以下算法：

u32 dc_estimator(register u32 *p, register u32 x)

{

*p+=((((u32)x<<16)-*p)>>5);return(*p>>16);

}

對其進行數(shù)字跟隨，然后通過vs_heart_signal-dc_estimator，即可得到交流信號分量vs_heart_signal_ac。同理，紅光轉換完成后開紅外光LED得到ir_heart_signal_ac，計算這兩個信號的平均功率之比，對得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合可以得到血氧飽和度的關系。血氧信號采集的血氧測量程序流程如圖4所示。

對血壓的測量采用經(jīng)典的示波法，就是將充氣袖利用綁帶綁在手臂上進行測量，通過程序對氣泵的氣閥控制來對袖帶進行充放氣。軟件設計中采取按鍵中斷的方式進行血壓信號的采集處理，軟件流程為檢測血壓測量按鍵是否按下，按下后系統(tǒng)調用血壓測試程序，測量完成后，將測量好的血壓數(shù)據(jù)打包進行傳輸。血壓測量子程序運行流程為：測量開始，首先STM32控制氣泵啟動，給袖帶充氣，加壓到最大值，然后控制電磁閥，慢慢泄放袖帶的壓力并測量監(jiān)視壓力傳感器讀數(shù)，當讀數(shù)出現(xiàn)明顯跳動(與心跳同步的波動)時，此時氣囊的壓力平均值就是收縮壓；然后繼續(xù)泄放袖帶壓力并監(jiān)視壓力傳感器,當讀數(shù)波動剛剛完全消失的時候,此時袖帶的壓力就是血壓舒張壓。血壓測量程序如圖5所示。

圖4 血氧測量程序流程圖 圖5 血壓測量程序流程圖

3 系統(tǒng)的測試與分析

通過對系統(tǒng)的軟硬件設計，對整個系統(tǒng)以及各個子模塊進行功能測試和分析。用串口線連接檢測系統(tǒng)和PC機。使用J-LINK仿真器調試系統(tǒng)是否能正常運行,測量生理參數(shù)能否正常監(jiān)測。選擇波形選項查看脈搏波形圖可以在發(fā)送終端上看到圖6(a)，如果選擇血壓測試界面則如圖6(b)所示。

(a)脈搏波形圖 (b)血壓測試圖圖6 上位機測試界面

通過上位機可以讀取測試者的血氧、心率及血壓的生理參數(shù)。通過和標準儀器對比可以得到誤差范圍都在2.5%之內。經(jīng)數(shù)據(jù)分析證明該系統(tǒng)具有很好的醫(yī)學儀器的一致性。測試結果如表1所示。

表1 生理參量數(shù)據(jù)分析

4 結 論

本文實現(xiàn)了一種基于STM32的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測量人體脈搏、心率、血氧濃度及血壓等生理參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進行計算處理，然后顯示、存儲并無線傳輸，傳輸采用藍牙無線傳輸方式。通過專用醫(yī)學監(jiān)測儀測量，系統(tǒng)和現(xiàn)有的醫(yī)用設備具有良好的一致性。該系統(tǒng)具有實時、便攜、性價比高、操作簡單等特點，可以方便監(jiān)測人體各項生理參數(shù)，能夠有效地觀察和預防疾病。