基于STM32的老年人救助手環(huán)心率值誤差糾正方法研究

任艷焱 顧雅珍 崔容容 李南楠

摘 要：心率也叫安靜心率，是衡量人體健康與否的一個(gè)重要生理指標(biāo)，它是指正常人在安靜狀態(tài)下每分鐘心跳的次數(shù)，其正常值的范圍是60-100次/分.目前應(yīng)用于手環(huán)的測量和計(jì)算心率的方法有很多，各有利弊，而解決心率值誤差率的問題又是重中之重.這就需要我們反復(fù)測試，從而找到一個(gè)誤差率盡可能小并且適合于手環(huán)設(shè)計(jì)的有效方法.本方案采用STM32F103vet6為主要微處理器，結(jié)合多種外部設(shè)備，利用運(yùn)動(dòng)傳感器--速度傳感器MPU6050進(jìn)行信號(hào)的采集工作，另外擴(kuò)充了藍(lán)牙模塊、Wi-Fi模塊、LoRa無線通信模塊，并對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化處理，一定程度上對(duì)心率值的誤差進(jìn)行了糾正，從而滿足本方案的設(shè)計(jì)要求并為之后的手環(huán)設(shè)計(jì)工作提供了一定的有效參考，具有一定的意義.

關(guān)鍵詞：傳感器;閾值;STM32;心率值

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）01-0039-02

1 引言

心率是人體的一個(gè)重要生理指標(biāo)，通過人體每分鐘的心跳次數(shù)可以在一定程度上判斷個(gè)人的健康狀況.在實(shí)際生活中無論是心動(dòng)過速或者心動(dòng)過緩的變化都和心臟類的疾病息息相關(guān)，這就要求我們找到一種能夠及時(shí)反應(yīng)的方式以求及早得到治療.影響心率變化的原因有很多，有生理性的也有病理性的，例如因年齡大小、性別不同而產(chǎn)生的個(gè)體差異;以及因運(yùn)動(dòng)、吸煙飲酒、情緒波動(dòng)或者服用藥物后所導(dǎo)致的心率變化等.怎樣才能對(duì)不同情況下的心率進(jìn)行有效的監(jiān)測并能對(duì)其測量值準(zhǔn)確顯示是人們亟需解決的問題.

目前的測量方法有心率計(jì)——可對(duì)跑步、靜走等運(yùn)動(dòng)進(jìn)行心率監(jiān)測;心率傳感器——在體表間接測量人體的相關(guān)參數(shù);心率帶——臂帶式心率帶、帶式心率帶等測量方式.

通常來講心率監(jiān)測的原理可分為：（一）光電透射測量法，缺點(diǎn)是耗電量相對(duì)較大大，同時(shí)容易受到環(huán)境光的干擾;（二）測試心電信號(hào)的方法，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，易受電磁信號(hào)的干擾;（三）振動(dòng)式測量，通過高精度的傳感器處理相應(yīng)的震動(dòng)信號(hào).怎樣取長補(bǔ)短，采取誤差最小的設(shè)計(jì)方法是本文的首要研究問題[1].

2 心率監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103xx系列芯片

在本方案中我們采用STM32F103xx系列芯片作為微處理器，它是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部件，我們通過芯片的I2C接口和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器MPU6050相連接，來獲取需要的運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)，另外的一個(gè)I2C接口可以與AXCL和XDA端相連接，用來連接光電傳感器.

STM32F103xx系列芯片內(nèi)部集成了高性能的32位ARM Cortex—M3處理器，它的性能指標(biāo)是72Hz的頻率，512KB大小的閃存，64KB大小的SRAM.另外它還具有四個(gè)通用的16位ADC、廣泛的增強(qiáng)型輸入輸出接口以及外部設(shè)備，STM32F103xx系列芯片可在溫度范圍較為寬泛，可以在零下40攝氏度至零上105攝氏度、電壓為2.0V至3.6V的條件下正常工作.它的這些特性極適合應(yīng)用于本方案的省電模式下的低功耗設(shè)計(jì).它的功用主要是用來收集數(shù)據(jù)、處理信息并協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的正常工作[3].

2.2 MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器

由于人們走路時(shí)手臂揮動(dòng)的幅度大小不規(guī)律，通常狀況下使用的3軸傳感器達(dá)不到一定的靈敏性，對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)手臂擺動(dòng)無法監(jiān)測到正確數(shù)值，所以為了解決上述問題本設(shè)計(jì)中采用了MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器.

MPU6050是一個(gè)整合性的6軸運(yùn)動(dòng)傳感器，它集成了16位的三軸加速度傳感器和16位三軸陀螺儀傳感器，可以分別監(jiān)測到模塊的加速度和角速度;通過數(shù)據(jù)融合算法可以很好地解決組合陀螺儀與加速器時(shí)間軸之差的問題，它的量程范圍較大，對(duì)角速度的感測范圍較為寬泛，數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理引擎可減少復(fù)雜的融合演算數(shù)據(jù)、感測器同步化、姿勢感應(yīng)等的負(fù)荷.

運(yùn)動(dòng)處理數(shù)據(jù)庫支持Android、Linux與Windows內(nèi)建之運(yùn)作時(shí)間偏差與磁力感測器校正演算技術(shù)，免除了客戶須另外進(jìn)行校正的需求.另外連接電路簡單，微處理器可通過I2C接口和MPU6050的SCL和SDA連接獲得運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù).綜上所述MPU6050具有較高的優(yōu)越性能，可以說運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器MPU6050是為便攜式產(chǎn)品量身訂作的！

2.3 St188單光束反射式紅外光電傳感器

光電傳感器的工作原理是利用紅外光線的透射和反射強(qiáng)度變化對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集.當(dāng)身體某一部位將光電傳感器的發(fā)射和反射接收口遮擋住的時(shí)候，將會(huì)影響光的傳遞途徑.每當(dāng)心臟跳動(dòng)的時(shí)候，心臟泵血將會(huì)改變血管中的血液流量，并進(jìn)一步改變血液的血氧飽和度，從而將會(huì)引起光反射強(qiáng)度的強(qiáng)弱變化.這類傳感器的重要特征是能夠測量探測部分不侵入機(jī)體，能夠在一定程度上自動(dòng)消除系統(tǒng)誤差，具有較高的測量精度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

St188單光束反射式紅外光電傳感器采用非接觸檢測方式，檢測距離為4—13mm，可以在傳感器加外圍電路來監(jiān)測接收管的信號(hào)，進(jìn)而確定是否接收到反射回來的紅外線.或者通過STM32芯片掃描E管腳（接收管的負(fù)極）的值0或者1（類似于按鍵掃描的方法）來確定接收管的狀態(tài).另外ST188內(nèi)部集成了一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)接收管，可以自己檢測，操作非常快捷方便.

2.4 LoRa無線通信模塊

LoRa無線通信模塊則是采用SX1278芯片，它是一款低功耗、遠(yuǎn)距離的無線數(shù)字收發(fā)芯片，采用了先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，增加了鏈路預(yù)算，具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，工作頻段為137～525MHz，接收靈敏度高達(dá)-148d Bm[4].

3 硬件設(shè)計(jì)部分

硬件設(shè)計(jì)圖如下所示：

STM32芯片作為主要的控制單元，由電源模塊為其供電，主要用來對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理并協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊的正常工作.

信息采集模塊采用ST188紅外光電傳感器、MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器來收集數(shù)據(jù);通過Wi-Fi模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)，藍(lán)牙模塊則采用數(shù)據(jù)透傳的方式將相關(guān)指令發(fā)送給手機(jī)，再利用手機(jī)App對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的、合理性的分析，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)與手環(huán)之間的交互操作.

4 軟件設(shè)計(jì)部分

通過反復(fù)試驗(yàn)測試，我們需要做如下工作：

（1）測試出每組數(shù)據(jù)的脈搏波數(shù)據(jù)與重力加速度數(shù)據(jù)的誤差，測定滿足多大比例才比閾值小，從而判定出相對(duì)的靜止?fàn)顟B(tài).

（2）利用運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器MPU6050，從數(shù)據(jù)采集的源頭上做到相對(duì)精準(zhǔn)從而降低人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)心率測量值的影響.

我們通過I2C端口獲取MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器的原始數(shù)據(jù)即獲得由三軸加速度值和三周角速度值融合而成的姿態(tài)數(shù)據(jù)：仰俯角、偏航角、滾轉(zhuǎn)角.然而此時(shí)得到的原始數(shù)據(jù)夾雜著很嚴(yán)重的噪音，在手環(huán)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)數(shù)據(jù)擺動(dòng)都可能超過2%.除了噪音，各項(xiàng)數(shù)據(jù)并不是圍繞靜止工作點(diǎn)在擺動(dòng)而是還會(huì)有偏移的現(xiàn)象，因此我們要先對(duì)數(shù)據(jù)偏移進(jìn)行校準(zhǔn)，再通過濾波算法進(jìn)行消除噪音處理.編寫程序校準(zhǔn)MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器的偏移量[5].

（3）確定閾值的選取范圍，實(shí)施卡爾曼濾波糾正.另將心率傳感器采集的心率值利用小波閾值去噪后得到比較干凈的有效信號(hào)，并將其值糾正后誤差控制在可接受范圍，增強(qiáng)心率檢測方法魯棒性，提高心率檢測準(zhǔn)確度，形成健壯的，數(shù)據(jù)有效的健康監(jiān)測手環(huán)系統(tǒng).

本文小波閾值去噪是利用MATLAB軟件來來實(shí)現(xiàn)的，主要包括閾值去噪和閾值的獲取.MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合，擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，并且這些函數(shù)中所使用的算法都是經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理并體現(xiàn)了科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，可以方便地實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能.本文使用MATLAB中ddencmp函數(shù)用于獲取信號(hào)在消噪或壓縮過程中的默認(rèn)閾值;wden函數(shù)用于處理一維信號(hào)的自動(dòng)消噪;wdencmp函數(shù)用于一維或二維信號(hào)的消噪或壓縮;wthcoef函數(shù)用于一維信號(hào)小波系數(shù)的閾值處理.

5 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有的手環(huán)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了整體上的概述并在一定程度上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，測試完成了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的心率變化范圍，采用了最適合應(yīng)用于穿戴設(shè)備的MPU6050運(yùn)動(dòng)姿態(tài)傳感器和采用最佳信息采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸，從而在源頭上解決了數(shù)據(jù)誤差的問題.但是仍有一些需要改進(jìn)的相應(yīng)算法，從而進(jìn)一步縮小數(shù)據(jù)誤差，提高數(shù)據(jù)的有效性.本次設(shè)計(jì)工作在衡量人體的健康狀況、身體素質(zhì)以及預(yù)防心臟類疾病的預(yù)警方面起到了一定的作用.另外由于多種因素的綜合影響，建議在日常生活中不要過于相信智能運(yùn)動(dòng)手環(huán)數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)采取理性參考的態(tài)度，合理安排運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度改善體質(zhì).

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