基于實(shí)時(shí)信息采集的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

摘? 要：隨著移動(dòng)醫(yī)療的飛速發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)已成為個(gè)人日常心臟監(jiān)控的一個(gè)重要發(fā)展方向。文章針對(duì)穩(wěn)定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運(yùn)動(dòng)信息等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ESP32的無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)裝置。該設(shè)計(jì)利用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時(shí)采集使用者心電信號(hào)，溫度傳感器LMT70測(cè)量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)信息。經(jīng)測(cè)試，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，測(cè)量誤差及傳輸延時(shí)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明可滿足個(gè)人日常心電監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護(hù);ESP32;LMT70;Wi-Fi

中圖分類號(hào)：TH77? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）17-0175-03

Abstract： With the rapid development of mobile medicine， ECG monitoring has become an important development direction of personal daily heart monitoring. Aiming at the problems of stably collecting and recording human ECG information， body surface temperature and motion information， a wireless motion sensor node device based on ESP32 is designed in this paper. In this design， the front-end analog chip ADS1292? is used to collect the user's ECG signal in real time， the temperature sensor LMT70 is used to measure the user's body surface temperature， and the， STP100M step counting module is used to detect the user's motion information. After testing， the device can realize the real-time monitoring function of human body information， both the measurement error and transmission delay meet the design requirements， which proves that it can meet the daily ECG monitoring of individuals.

Keywords： ECG monitoring; ESP32; LMT70; Wi-Fi

0? 引? 言

隨著全球人口數(shù)量的增長(zhǎng)，老齡化趨勢(shì)愈加嚴(yán)重，心腦血管疾病已經(jīng)成為一種不可忽視的嚴(yán)重疾病[1，2]。為了避免身體出現(xiàn)不可逆的惡性循環(huán)，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到健身和有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)于生活的重要性。隨著健康人群的不斷增加，同時(shí)也會(huì)帶來運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的意外事件越來越多，因此人們需要人體監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)對(duì)個(gè)體的心電信息、體表信息以及運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3，4]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為：在不同的測(cè)試環(huán)境下，能穩(wěn)定采集和記錄設(shè)備使用者的心電信息、體表溫度、運(yùn)動(dòng)信息，并實(shí)時(shí)發(fā)送到移動(dòng)終端手機(jī)上，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)顯示使用者體溫、運(yùn)動(dòng)步數(shù)、運(yùn)動(dòng)距離、心電波形[5-7]。當(dāng)采集到使用者心電信號(hào)出現(xiàn)心律不齊時(shí)，發(fā)出蜂鳴器報(bào)警。

1.1? 主控器件選擇

選取ESP32作為主控制芯片模塊，該芯片支持Wi-Fi和藍(lán)牙雙模通信，外圍兼容低功耗硬件設(shè)計(jì)，深度睡眠模式下功耗僅為10 μA。主控器支持USB和外接3.7 V鋰電池兩種供電方式，可實(shí)現(xiàn)雙電源下自動(dòng)切換電源功能，并支持USB和外接DC兩種充電方式。同時(shí)該芯片具有體積小，可靠性、功能性較強(qiáng)，可以滿足本系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)的要求。

1.2? 傳感器選取

STP100M計(jì)步模塊具有高性能的計(jì)步器主控MCU和一個(gè)高靈敏度的G Sensor，結(jié)合高精度的3D計(jì)步算法，使其在任何方向都可以精確計(jì)步。相較于其他運(yùn)動(dòng)傳感器具有小體積、低功耗，高精度等特點(diǎn)，可以滿足本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息的測(cè)量要求。

1.3? 無線傳輸方式選取

Wi-Fi模塊采用標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議，工作頻段為2.4 GHz，所支持的速度最高達(dá)54 Mbps，通過互聯(lián)網(wǎng)連接上安裝訪問點(diǎn)來創(chuàng)建，傳輸距離大概為91.5米。支持Wi-Fi連接的設(shè)備可在熱點(diǎn)覆蓋的區(qū)域隨時(shí)聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)連線，可以滿足本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

1.4? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

本系統(tǒng)主要包括ADS1292心電測(cè)試模塊、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M計(jì)步模塊、ESP32控制器、移動(dòng)終端、電源、蜂鳴器等模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

ADS1292心電測(cè)試模塊實(shí)時(shí)采集使用者的心電信號(hào)，LMT70溫度傳感器測(cè)量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)信息。ESP32控制器處理采集到的信號(hào)，并通過Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端上顯示。

1.5? 信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用者攜帶無線傳感器節(jié)點(diǎn)，ADS1292心電測(cè)試模塊實(shí)時(shí)采集使用者的心電信號(hào)，LMT70溫度傳感器測(cè)量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離。ESP32控制器處理采集到的信號(hào)，確定心電波形中Q、R、S點(diǎn)，計(jì)算R、S兩點(diǎn)時(shí)間，分析計(jì)算使用者的心率，采集兩次心跳用時(shí)，計(jì)算其差值超過20%，即判定出現(xiàn)心律不齊，蜂鳴器報(bào)警。將采集到的信息通過Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端手機(jī)上，制作APP顯示標(biāo)注出Q、R、S點(diǎn)的心電波形、心率、體溫、運(yùn)動(dòng)步數(shù)和運(yùn)動(dòng)距離。

ADS1292心電測(cè)試模塊通過激勵(lì)產(chǎn)生電信，測(cè)量人體呼吸阻抗，設(shè)參考電壓為2.5 V，從而計(jì)算出實(shí)時(shí)的人體呼吸阻抗變化數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時(shí)，易受到環(huán)境噪聲干擾，因此，我們對(duì)采集的出數(shù)據(jù)使用Matlab進(jìn)行前期的分析處理，得到了較為直觀的數(shù)據(jù)波型圖，從而選擇平滑濾波，并且使用簡(jiǎn)易的分窗處理，快速獲得相應(yīng)的心電信號(hào)，通過分窗取樣分析法計(jì)算出心跳脈搏位置。

LMT70溫度傳感器使用二階曲線或三階曲線擬合參數(shù)，準(zhǔn)確度等同適用于人體溫度測(cè)量的有限溫度范圍查找表（LUT）中的準(zhǔn)確度，適用于10℃至110℃的三階方程式。也適合20 ℃至45 ℃的二階曲線，能提供較準(zhǔn)確的結(jié)果。

ResAVG=×ResADC

STP100M模塊轉(zhuǎn)換出人體步行步行過程中，三軸方向的單軸加速度變化的值，對(duì)采集的加速度正選波形，并產(chǎn)生周期性脈沖，主控芯片采用輪詢的方式檢測(cè)脈沖激勵(lì)，濾除雜波，累加有效脈沖計(jì)數(shù)值，從而計(jì)算出運(yùn)動(dòng)步數(shù)，訪問模塊內(nèi)部的寄存器，獲取計(jì)算的步伐距離。

2? 核心部件電路設(shè)計(jì)

2.1? ESP32主控制器

選用ESP32主控制器，其CPU 頻率最高可達(dá)240 MHz，具有528 kB RAM，448 kB BootROM，及IIC、DAC、SPI等通用外設(shè)，可較好的發(fā)揮無線傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)主要包括ADS1292、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M。

2.2? ADS1292心電測(cè)試模塊

選用ADS1292具有兩個(gè)低噪聲可編程增益放大器（PGA）和兩個(gè)高分辨率三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器器（ADC），集成了心電采集所需要的部件，方便設(shè)備小型化，最高速率可達(dá)125 SPS至8 kSPS，共模抑制比（CMRR）為-105 dB，完全滿足于采集心電信號(hào)的性能要求。呼吸檢測(cè)是使用了阻抗檢測(cè)的方法，使用了的32 KHz高頻方波輸入到人體，然后經(jīng)過電路濾波后可以計(jì)算出兩片電極之間的阻抗變化的大小。呼吸檢測(cè)和心電檢測(cè)使用的是同一電極，由于心電信號(hào)一般在100 Hz下，對(duì)于高頻的檢測(cè)呼吸的方波是可以通過ADS1292里面EMI電路濾掉的。方框2部分是右腿驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于右腿驅(qū)動(dòng)的作用，用于去除共模電壓，通過放大器反向放大之后輸入到人體，并且提供了一個(gè)電壓抬升，將測(cè)量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保證了輸入電壓是在芯片的檢測(cè)范圍內(nèi)。

2.3? LMT70溫度傳感器模塊

選用的LMT70是一款帶有輸出使能引腳的超小型，高精度，低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬溫度傳感器LMT70幾乎適用于所有高精度，低功耗的經(jīng)濟(jì)高效型溫度感測(cè)應(yīng)用，多個(gè)LMT70可利用輸出使能引腳來共用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道，從而簡(jiǎn)化ADC校準(zhǔn)過程并降低精密溫度感測(cè)系統(tǒng)的LMT70還具有一個(gè)線性低阻抗輸出，支持與現(xiàn)成的微控制器（MCU）/ADC無縫連接.LMT70的熱耗散低于36 μW，這種超低自發(fā)熱特性支持其在寬溫度范圍內(nèi)保持高精度。且低電源電流可以減小到9.2 μA，大大延長(zhǎng)了監(jiān)測(cè)時(shí)間。

2.4? STP100M計(jì)步模塊

選用STP100M計(jì)步模塊，使用了一個(gè)高性能的計(jì)步器主控MCU和一個(gè)高靈敏度的G Sensor，結(jié)合高精度的3D計(jì)步算法，使其在任何方向都可以精確計(jì)步。此模塊具有小體積、低功耗，高精度等特點(diǎn)。模塊提供了簡(jiǎn)單的脈沖輸出接口。使其能很方便地應(yīng)用于3D計(jì)步器、USB多功能計(jì)步器、卡片計(jì)步器，以及各種嵌入計(jì)步功能的系統(tǒng)，其通訊協(xié)議如圖2所示。

2.5? 移動(dòng)終端

移動(dòng)終端選取Android系統(tǒng)手機(jī)，開發(fā)的APP軟件通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接控制器，取得各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算處理后，送給顯示器，可以直觀的觀察到心電信息、溫度、步數(shù)、距離等。采用這種顯示方案，可有效降低前端控制器的運(yùn)算量，充分發(fā)揮移動(dòng)端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

2.6? 關(guān)鍵電路驅(qū)動(dòng)接口

ESP32主控制器主要功能是控制SDA1292模塊、STP100M模塊、LMT70模塊來獲取數(shù)據(jù)，最終通過Wi-Fi無線傳輸方式發(fā)送到手機(jī)APP上，STP100M模塊與ESP32之間通過IIC進(jìn)行通信，IIC接口是用來支持設(shè)備配置和傳輸數(shù)字主機(jī)處理器的頻率值或外部提供的時(shí)鐘。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)的總體工作流程如圖3所示，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，緊接著通過LTM70溫度傳感器采集人體的溫度信息，依次通過STP101M讀出人體的步數(shù)，最后讀取ADS1292心電傳感器、分析被測(cè)人員心電圖，將所收集到的數(shù)據(jù)打包通過Wi-Fi發(fā)送到監(jiān)護(hù)者的手機(jī)上。

本系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表1所示，完全能夠勝任對(duì)人體的心率、溫度、運(yùn)動(dòng)步數(shù)以及運(yùn)動(dòng)距離等信息的實(shí)時(shí)采集。從實(shí)時(shí)采集到的人員信息的心電信號(hào)可以看到，本設(shè)備均能夠有效地監(jiān)測(cè)當(dāng)時(shí)的心電信號(hào)和心率，并且測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近，精度符合日常生活需求。

針對(duì)目前心電監(jiān)測(cè)儀價(jià)格昂貴、抗干擾差、檢測(cè)范圍小等問題，本文設(shè)計(jì)了基于高精度實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本文針對(duì)穩(wěn)定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運(yùn)動(dòng)信息等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ESP32的無線運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)裝置。本設(shè)計(jì)利用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時(shí)采集使用者心電信號(hào)，溫度傳感器LMT70測(cè)量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測(cè)使用者運(yùn)動(dòng)信息。設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖4所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，測(cè)量誤差及傳輸延時(shí)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全可以勝任個(gè)人日常心電監(jiān)測(cè)。

4? 結(jié)? 論

為了滿足人體日常實(shí)時(shí)對(duì)心電進(jìn)行監(jiān)護(hù)的需求，不但能夠即時(shí)的采集心電信息同時(shí)也需在發(fā)生突發(fā)狀況下立即發(fā)出警報(bào)，本文提出了一種基于ESP32控制器和多個(gè)人體監(jiān)測(cè)傳感器組成的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時(shí)采集使用者心電信號(hào)，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，測(cè)量誤差精度高同時(shí)系統(tǒng)傳輸延時(shí)小，能夠用于人體日常心電監(jiān)護(hù)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)也充分考慮到該裝置的成本、功耗以及小型化等應(yīng)用需求，并最終致力于轉(zhuǎn)化成一款用于人體日常心電監(jiān)護(hù)的電子產(chǎn)品。

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作者簡(jiǎn)介：鄭凱（1989—），男，漢族，江蘇淮安人，講師，工學(xué)碩士，研究方向：電 子科學(xué)與技術(shù)。