基于STM32的智能心電采集和傳輸系統(tǒng)

王立剛

摘 要：為了滿足人們對實(shí)時(shí)健康監(jiān)護(hù)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的心電采集和傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F411RET6為核心主控，主要由心電信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊和用于心電顯示與處理的上位機(jī)和手機(jī)模塊組成，給出了硬件電路的設(shè)計(jì)方案及軟件程序流程。通過系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)硬件可以完成心電信號(hào)的采集、處理與傳輸，系統(tǒng)軟件也實(shí)現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)接收與作圖功能。系統(tǒng)功耗低，有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，可以實(shí)現(xiàn)對心電信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);心率傳感器;藍(lán)牙;串口通信;ECG;Android;移動(dòng)健康

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

結(jié)合目前發(fā)展較為完善的網(wǎng)絡(luò)，通過便攜心電監(jiān)測系統(tǒng)的檢查，有助于心血管疾病的早期控制和有效治療。另外，進(jìn)一步發(fā)展便攜式心電監(jiān)測系統(tǒng)有利于在社區(qū)形成獨(dú)立的醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)體系，從而可以更好地照顧社區(qū)內(nèi)的老人，社區(qū)內(nèi)及時(shí)監(jiān)測日益增長的老齡化人口具有重要意義。本設(shè)計(jì)是以STM32F411RET6為核心主控的一款心率檢測設(shè)備。Android APP使用藍(lán)牙通信獲取單片機(jī)端的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)基于模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的采集，然后再對獲得的數(shù)字量進(jìn)行分析、處理及顯示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

硬件由基于STM32F411RET6的核心控制板，基于TI CC2541的藍(lán)牙4.0模塊以及心率傳感器組成。心率傳感器是一種反射式光電心率傳感器，傳感器輸出模擬量，借助STM32的A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)分析處理得到數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而獲得心率值BPM和心率間隔IBI等生理信號(hào)。

硬件系統(tǒng)核心基于STM32F411RET6，連接心率傳感器獲取生理信號(hào)，通過低功耗藍(lán)牙與手機(jī)通信，經(jīng)USB2UART與PC端通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 心率傳感器模塊

系統(tǒng)采用反射式光電心率傳感器，該傳感器輸出模擬量，在采集時(shí)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能成為供主控芯片分析處理的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過分析和計(jì)算可以獲得脈搏值、心率值及相鄰心拍間隔時(shí)間等。

2.1.1 測量原理

心率傳感器基于光電容積法[17]，其理論依據(jù)為Beer-Lambert Law，即一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，該單色光的吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c、吸收層的厚度d成正比。心率傳感器進(jìn)行生理信號(hào)采集的基本原理：利用人體組織在血管血液流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不同的透光率。心率傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實(shí)際上，心率傳感器的原理基于反射式光電容積脈搏法。由圖2可知，發(fā)光光源即本設(shè)計(jì)中使用的綠光LED發(fā)出光到皮膚表層，然后光接收器即APDS-9008接收反射回來的光信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)濾波電路、放大電路后輸出模擬信號(hào)。

2.1.2 心率傳感器電路

心率傳感器電路如圖3所示，由圖中可以看出心率傳感器為單路輸出。

2.2 藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的藍(lán)牙通信基于藍(lán)牙4.0模塊，為低功耗藍(lán)牙。

系統(tǒng)使用的核心芯片是TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TICC2541，它是一款針對BLE以及private-2.4 GHz應(yīng)用的SoC解決方案。USB2UART電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為三部分，如下所示：

（1）第一部分是單片機(jī)端，基于A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集與分析部分;

（2）第二部分是Windows端的上位機(jī)部分，主要完成ECG信號(hào)的波形顯示;

（3）第三部分是Android客戶端，用于完成手機(jī)和單片機(jī)之間的通信。

數(shù)據(jù)采集與分析部分主要由心率傳感器采集數(shù)據(jù)，之后傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，得到心率值BPM和相鄰心率間隔數(shù)據(jù)IBI，最后單片機(jī)通過UART將數(shù)據(jù)傳輸至電腦上位機(jī)，經(jīng)低功耗藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)客戶端。整體設(shè)計(jì)如圖5所示。

整體設(shè)計(jì)分為5大模塊，分別為生理信號(hào)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機(jī)顯示模塊、Android端顯示模塊。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試主要展示系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，將按照硬件調(diào)試和軟件調(diào)試分別說明。

4.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試的目的在于實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)耐暾?。系統(tǒng)由心率傳感器、主控板、藍(lán)牙通信模塊以及USB供電通信線組成。經(jīng)過基本調(diào)試，心率傳感器可以獲取皮膚表層生理信號(hào)，經(jīng)過放大后傳輸至STM32主控，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可將信號(hào)傳輸至PC端。

4.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

系統(tǒng)軟件調(diào)試主要是PC端上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收與作圖調(diào)試和Android端藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收調(diào)試。

4.2.1 上位機(jī)調(diào)試

PC端上位機(jī)主要用于處理通過USB獲取的數(shù)據(jù)，并做出ECG心率圖。圖6所示為上位機(jī)的工作界面，共有5部分顯示內(nèi)容，即頂部的Title顯示，顯示學(xué)校及個(gè)人昵稱;處于主要部分的ECG顯示串口;右上角的心率值顯示;底部的放縮率顯示;右下角的心率間隔IBI顯示。

由圖6可以看出，上位機(jī)完成了基本功能—ECG作圖和心率值顯示，另外還添加有圖像放縮顯示功能。

4.2.2 Android端調(diào)試

系統(tǒng)的Android端主要通過手機(jī)自帶的藍(lán)牙與硬件采集裝置進(jìn)行通信。開啟軟件后，首先會(huì)彈出Alert對話框要求打開藍(lán)牙，如圖7所示。點(diǎn)擊同意打開之后，軟件開始掃描可用的BLE設(shè)備，如圖8所示。由于測試時(shí)僅附近有系統(tǒng)的藍(lán)牙，所以發(fā)現(xiàn)設(shè)備列表中僅顯示一個(gè)設(shè)備。之后點(diǎn)擊連接可用的藍(lán)牙設(shè)備，連接成功后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙連接成功界面如圖9所示。Android完成了基本的藍(lán)牙掃描、連接與數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié) 語

基于移動(dòng)醫(yī)療的背景進(jìn)行方案選擇與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)硬件可以完成心電信號(hào)的采集、處理與傳輸，系統(tǒng)軟件也完成了基本的數(shù)據(jù)接收與作圖功能，系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。但需要注意的是該心率檢測裝置精度不高，目前不適用于專業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域的心率檢測。

參 考 文 獻(xiàn)

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