一種簡(jiǎn)易可穿戴的人體健康監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

張峻豪 尹鑫 貢振琦 張文杰

摘 要 本次設(shè)計(jì)是基于Cortex-M3內(nèi)核的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)Agcl電極片采集到人體肢體導(dǎo)聯(lián)電壓波形，利用模擬預(yù)先抗混疊處理濾除奈奎斯特區(qū)間以外的頻率，再經(jīng)過(guò)模擬前端將信號(hào)放大1000倍，得到放大后的波形。利用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)IIR實(shí)時(shí)濾波消除50HZ的工頻干擾與基線漂移，通過(guò)LMT70和MPU6050測(cè)得人體實(shí)時(shí)的體溫和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再通過(guò)串口透?jìng)鲗?shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端上位機(jī)，PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與信息反饋到電腦中，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)病人的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞 心電圖 IIR濾波 健康監(jiān)測(cè) 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：R1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2020）02-0024-04

1 研究目的

本設(shè)計(jì)達(dá)成了對(duì)人體心率、體溫和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)加以處理和顯示。通過(guò)對(duì)單個(gè)方案的改進(jìn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）具有低功耗和便攜性，以方便長(zhǎng)時(shí)間的穿戴。

（2）達(dá)到高精度的心率和溫度測(cè)量，具有很好的抗干擾能力。

（3）實(shí)現(xiàn)低延時(shí)高功率的無(wú)線傳輸，已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示的目的。

2 實(shí)施方案

2.1 總體流程圖（如圖1）

2.2 電源設(shè)計(jì)方案

方案所需的溫度采集芯片、心電信號(hào)采集芯片以及運(yùn)動(dòng)傳感監(jiān)測(cè)都需要3.3v的電壓保障其正常工作，所以我們通過(guò)LM2596穩(wěn)壓芯片將12v的電池輸入調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的3.3v輸出電壓，用來(lái)供給整個(gè)系統(tǒng)。

同時(shí)注意到由于本設(shè)計(jì)采用的溫度采集芯片為TI公司的LMT70，其特點(diǎn)是高精度的16位AD采樣。為避免LM2596產(chǎn)生的電壓波動(dòng)影響溫度的精準(zhǔn)性，需使用3.3v的基準(zhǔn)電壓給LMT70以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，達(dá)到測(cè)量人體體溫高精度的目的。

2.3 模擬前端放大器

采用AgCl電極片，減小基線漂移。心電信號(hào)通過(guò)二級(jí)放大，放大倍數(shù)1000倍以上，第一級(jí)采用儀表放大器AD620進(jìn)行放大，二級(jí)電路用LM358和OP07構(gòu)成放大。通過(guò)ebyte串口透?jìng)?，用于STM32與電腦串口通信，附加MPU6050用于測(cè)步和測(cè)距以及跌倒檢測(cè)。心電部分采用右腿驅(qū)動(dòng)，減小工頻干擾。通過(guò)RC與運(yùn)算放大器構(gòu)成有源帶通濾波器，0.3HZ-106Hz的頻率可以通過(guò)。電源部分采用AMS11175.0V和7660s構(gòu)成一對(duì)正負(fù)5的電壓為運(yùn)放供電。通過(guò)AMS11173.3V穩(wěn)壓到3.3V為STM32進(jìn)行供電。[1]

2.4 單片機(jī)部分

2.4.1 主控單元選取

由于心電采集芯片使用了TI公司的ADS1292芯片，具有24位的高精度AD采樣。STM32系列的單片機(jī)具有片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器和多個(gè)外設(shè)接口，具有很好的擴(kuò)展和移植性，因此適合完成IIR實(shí)施濾波和應(yīng)用擴(kuò)展。

2.4.2 配置關(guān)鍵的ads1292芯片的寄存器

ADS1292_REG[CONFIG1] =0x00;//連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

ADS1292_REG[CONFIG1] |=Ads1292_Config1.Data_Rate;// 設(shè)置采樣率125HZ

ADS1292_REG[CONFIG2] =0x00;//設(shè)置測(cè)試信號(hào)

ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Pdb_Loff_Comp<<6;//是否脫落

ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Pdb_Refbuf<<5;//緩沖器是否掉電ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Vref<<4;//參考電壓2.4v

ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Clk_EN<< 3;//時(shí)鐘脈沖

ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Int_Test<< 1;//是否打開(kāi)測(cè)試信號(hào)

ADS1292_REG[CONFIG2] |=0x81;//默認(rèn)位

2.4.3 配置關(guān)鍵的MPU6050寄存器

MPU_Write_Byte（MPU_PWR_MGMT1_REG，0X80）;//復(fù)位MPU6050

MPU_Write_Byte（MPU_PWR_MGMT1_REG，0X00）;//喚醒MPU6050

MPU_Set_Gyro_Fsr（3）;//陀螺儀傳感器，±2000dps

MPU_Set_Accel_Fsr（0）;//加速度傳感器，±2g

MPU_Set_Rate（50）;//設(shè)置采樣率50Hz

MPU_Write_Byte（MPU_INT_EN_REG，0X00）;//關(guān)閉所有中斷

MPU_Write_Byte（MPU_USER_CTRL_REG，0X00）;//I2C主模式關(guān)閉

MPU_Write_Byte（MPU_FIFO_EN_REG，0X00）;//關(guān)閉FIFO

MPU_Write_Byte（MPU_INTBP_CFG_REG，0X80）;//INT引腳低電平有效

2.5 信號(hào)干擾

2.5.1 干擾來(lái)源

通常由于電源線產(chǎn)生的50hz的工頻干擾以及被測(cè)對(duì)象人體產(chǎn)生的熱噪聲干擾。[2]

工頻干擾多數(shù)是因?yàn)榭臻g輻射、電源、電路與外界的接觸所產(chǎn)生的50hz信號(hào)，一般采用屏蔽、濾波、使用差分信號(hào)（提高共模抑制）來(lái)減低其對(duì)信號(hào)的影響。人體干擾常見(jiàn)的是肌肉震顫，其產(chǎn)生是因?yàn)槿梭w肌肉顫動(dòng)所造成的噪聲信號(hào)（寒冷導(dǎo)致的戰(zhàn)栗以及緊張引起的肌肉抽搐）。

2.5.2 基于MATLB的數(shù)字陷波

用陷波器來(lái)過(guò)濾50hz信號(hào)，高通濾波器來(lái)過(guò)濾人體產(chǎn)生的0.5hz以下的頻率干擾。通常在設(shè)計(jì)中使用IIR或FIR濾波器，其中FIR雖然具有良好的線性相位，但是其運(yùn)算量和階數(shù)都比IIR更大，因此無(wú)論是陷波器還是高通濾波都采用IIR來(lái)設(shè)計(jì)。[3]

借助MATLAB可以幫助我們快速的生成相關(guān)的參數(shù)。再將其翻譯成c語(yǔ)音形式即可直接應(yīng)用于單片機(jī)平臺(tái)。

導(dǎo)出濾波系數(shù)得到轉(zhuǎn)移函數(shù)：[4]

再根據(jù)濾波器直接II型實(shí)現(xiàn)框圖，翻譯成c語(yǔ)言代碼并燒錄到主控芯片中運(yùn)行。

c語(yǔ)言響應(yīng)代碼：

w4 = （float）p_Temp[1] - （-1.53589）*w2 - 0.898466*w3;

cannle[1]= （u32）（0.94923 * w4 + （-1.53589）*w2+0.949 23*w3）;

w3 = w2;

w2 = w4;

2.5.3 基于MATLAB的高通濾波器

同樣采用MTLAB生成的IIR的II階高通濾波器來(lái)過(guò)濾掉人體產(chǎn)生的0.5hz以下的頻率干擾，我們配置好相應(yīng)參數(shù)后即可導(dǎo)出濾波系數(shù)。

得到響應(yīng)函數(shù)：[5]

s32IIR_I_Filter（s32 InData，float *x，float *y，float *b，float nb， float *a，float na）

{

s32 z1，z2;

u8 i;

s32? OutData;

for （i=nb-1;i>0;i--）? {x[i]=x[i-1];}

x[0]=InData;

for （z1=0，i=0;i

for （i=na-1;i>0;i--）? ? {y[i]=y[i-1];}

for （z2=0，i=1;i

y[0]=z1-z2;

OutData=y[0];

return （s32）OutData;

}

2.6 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

2.6.1基于MPU6050六軸模塊設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)讀取MPU6050內(nèi)置的x、y、z軸上的加速度，通過(guò)高斯濾波將其3個(gè)方向的數(shù)值合一得到一個(gè)預(yù)算的峰值，一個(gè)峰值變換對(duì)應(yīng)一步數(shù)，同時(shí)將所得加速度經(jīng)過(guò)積分得到速度，即可計(jì)算出運(yùn)動(dòng)步伐。

由于產(chǎn)品佩戴于胸前，所以選取X軸方筆直朝下，使用I2C通訊協(xié)議，提取MPU6050各軸數(shù)據(jù)，消除零點(diǎn)漂移之后，對(duì)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波，通過(guò)加速度計(jì)數(shù)據(jù)得到x軸與重力加速度方向的角度，然后通過(guò)卡爾曼濾波融合陀螺儀的加速度，得到修正之后X軸與重力加速度方向的傾角，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試出臨界閾值。

2.6.2加速度的C語(yǔ)言計(jì)算代碼

mpu6050_get_data（&gx，&gy，&gz，&ax，&ay，&az，&temperature）;

acc_filter（）;

ax-=AX_OFFSET;

ay-=AY_OFFSET;

az-=AZ_OFFSET;

gx-=GX_OFFSET;

gy-=GY_OFFSET;

gz-=GZ_OFFSET;

angle_dot = gz * GZRO_SCALE;

angle =atan（sqrt（ax * ax + ay * ay ）/az ）;

angle =angle * 57.295780;

kalman_filter（angle， angle_dot， &f_angle， &f_angle_dot）;

2.7 體溫監(jiān)測(cè)

TI公司的LMT70是低功耗高精度的模擬溫度傳感器。其16位精度的AD采樣使其工作在20°C-42°C范圍時(shí)，誤差為±0.05°C。由于人體溫度剛好囊括在這一范圍，因此在確保其基準(zhǔn)電壓的精準(zhǔn)時(shí)，能準(zhǔn)確的返回所需的數(shù)據(jù)。

由于LMT70電壓傳遞函數(shù)不是標(biāo)準(zhǔn)的線性，所以采用三階傳遞函數(shù)方程來(lái)確保其工作在所需的最佳擬合中。

三階傳遞函數(shù)C語(yǔ)言如下：

double a= -1.064200E-09;

double f= -5.759725E-06;

double c= -1.789883E-01;

double m=? 2.048570E+02;

temp=a*（temp）*（temp）*（temp）+f*（temp）*（temp）+c*（temp）+m; //temp初始溫度值

3 傳輸方式

3.1 方案選擇

方案一：使用藍(lán)牙3.0模塊搭建單片機(jī)--手機(jī)或者單片機(jī)---單片機(jī)通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

方案二：使用nrf24L-01模塊搭建單片機(jī)--手機(jī)或者單片機(jī)---單片機(jī)通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

方案三：使用串口無(wú)線透?jìng)魍瓿蓡纹瑱C(jī)---電腦的無(wú)線通訊，使用串口傳輸發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

由于藍(lán)牙模塊傳輸速率為24Mb/s，而ECG要求傳輸數(shù)據(jù)大，所以使用藍(lán)牙傳輸會(huì)有一定的延時(shí)接收，同時(shí)由于藍(lán)牙的傳輸距離有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，因此不采用。Nrf模塊在傳輸速率上達(dá)到了1ms一包，一包大概32字節(jié)，完全能滿足ECG龐大的數(shù)據(jù)量。但是Nrf需要與單片機(jī)搭配才能接收數(shù)據(jù)，提高了成本和電路復(fù)雜性，不予考慮。

而ebyte公司的串口透?jìng)骶哂凶詣?dòng)調(diào)頻功能，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸效率高，傳輸距離遠(yuǎn)。且減少了接收端的電路復(fù)雜性（只需要將usb插上電腦即可）和發(fā)送端的操作難度（只需將數(shù)據(jù)通過(guò)printf傳輸即可）。

3.2 理論分析

設(shè)計(jì)通過(guò)NRF24L01無(wú)線串口透?jìng)鱽?lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)無(wú)線傳輸。搭建的系統(tǒng)由下位機(jī)與上位機(jī)人機(jī)界面2部分組成：先使下位機(jī)主機(jī)板STM32控制芯片將采集的人體信息發(fā)送給無(wú)線透?jìng)髂K，然后無(wú)線傳送到下位機(jī)從機(jī)板無(wú)線接收模塊，無(wú)線接收系統(tǒng)結(jié)合串行通信接口，把數(shù)據(jù)送往上位機(jī)PC端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示并在上位機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)無(wú)線視屏監(jiān)控，并且不需要無(wú)線路由器構(gòu)建的局域網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行通訊，擺脫了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人機(jī)互動(dòng)功能。

系統(tǒng)流程圖：（如圖2）

4 上位機(jī)

采用QT對(duì)上位機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口讀取數(shù)據(jù)。由于使用的是串口透?jìng)髂K進(jìn)行單片機(jī)與PC端的通信，所以只需要區(qū)分每段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型即可。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如下：printf（"<%d，%d，%d，%d，%d，%d，%d，%d>"， nrfSendData.bytes.heartRate，

nrfSendData.bytes.stepNum，

nrfSendData.bytes.tempture，

nrfSendData.bytes.adsData[0]，nrfSendData.bytes.adsData[1]，

nrfSendData.bytes.adsData[2]，

nrfSendData.bytes.adsData[3]，

nrfSendData.bytes.adsData[4]，

nrfSendData.bytes.adsData[5]）;

一個(gè)數(shù)據(jù)包有32Byte的大小，傳輸順序按照心率、步數(shù)、溫度、和ECG，大小分別為2Byte、2Byte、4Byte以及24Byte。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后，PC端上位機(jī)按照傳輸方式提取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制顯示到QT編寫(xiě)的頁(yè)面中。

5 測(cè)量結(jié)果

5.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

距離顯示：（如表1）

溫度顯示：（如表2）

心率顯示：（如表3）

5.2 測(cè)試結(jié)論

（1）心率精度高，誤差不超過(guò)1%;

（2）溫度精度受基準(zhǔn)電源影響，在±2℃內(nèi);

（3）距離顯示受擺動(dòng)加速度影響，誤差不大于10%;

在完成簡(jiǎn)易穿戴和低功耗要求前提下，保證了低延遲的傳輸。同時(shí)完成了人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)、體溫和心率的實(shí)時(shí)顯示，已達(dá)到測(cè)試要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧海濤，張桂珊，鄒秋云， 等.基于STM32處理器的心電信號(hào)系統(tǒng)[C].//中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì).第五屆全國(guó)可穿戴計(jì)算學(xué)術(shù)會(huì)議暨2015可穿戴與醫(yī)學(xué)變革研討會(huì)論文集.2015：1-10.

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西華大學(xué)，四川 成都