基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的心電監(jiān)護儀設(shè)計

錢涵舟，馮辰宇，石壘壘，譚睿，馮月芹

（南京工程學院 信息與通信工程學院，江蘇南京，211167）

0 引言

當今社會正迅速發(fā)展，人們工作節(jié)奏較快，壓力也越來越大，導致到了一定年紀后心臟病發(fā)作比例越來越高；由于某些心臟疾病存在突發(fā)性的因素，醫(yī)院的繁瑣醫(yī)療程序與高成本的醫(yī)療檢查并不能滿足許多有潛在心臟病患者的需求，所以促使了便攜性家庭形式的醫(yī)療產(chǎn)品迅速發(fā)展，家庭式的心電監(jiān)護儀器就是其中一種；患者可以在家中進行心電監(jiān)護。

本文的研究目的是設(shè)計家用便攜式無線數(shù)據(jù)傳輸心電監(jiān)護儀中的兩個基本部分：心電信號采集系統(tǒng)和NB-IOT無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為設(shè)計能夠應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)進行遠程監(jiān)護的家用心電監(jiān)護儀提供良好的硬件平臺。心電信號采集模塊采用STM32F407微處理器作為控制單元，采用ADS1292R心電采集芯片實現(xiàn)心電信號進行放大，濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換。NBIOT無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過微處理器STM32F407與NBIOT模塊硬件接口部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送；數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。用戶可以通過個人家用計算機訪問網(wǎng)頁或者用微信小程序來實現(xiàn)心電信號的重現(xiàn)，以及心臟健康狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備以STM32F407為主控制器，采用中國電信物聯(lián)網(wǎng)模塊NB-IOT模組作為無線通信模塊，主控制器控制生理參數(shù)采集傳感器，對人體的心電信號，體溫等進行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過單片機串口傳輸?shù)綗o線收發(fā)NB-IOT模組，再由NB-IOT模組發(fā)送到基站，最后由基站傳送到云服務(wù)器，數(shù)據(jù)存儲在云服務(wù)器，用戶使用客戶端軟件或微信小程序來查看數(shù)據(jù)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 硬件總體設(shè)計

■2.1 NB-IOT通信模塊

無線通信模塊采用BC20，它是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS定位功能的NB-IoT無線通信模塊。其尺寸僅為18.7mm×16.0mm×2.1mm，滿足便攜式設(shè)備的要求。BC20兼容移遠通信GSM/GPRS/GNSS系列MC20模塊，BC20提供豐富的外部接口和協(xié)議棧，同時支持中國移動OneNET、中國電信IoT以及阿里云IoT等物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

模組擁有2個串口端，分別為主串口端和調(diào)試串口端，調(diào)試串口通過TTL轉(zhuǎn)USB電平與電腦端連接，主串口端與STM32串口端進行連接。主串口端用以AT指令的傳送，支持的波特率為9600、115200。調(diào)試串口端僅用作軟件調(diào)試，調(diào)試波特率配置為9600bps。

■2.2 生理特征采集單元電路實現(xiàn)

心電、體溫是反映人體健康狀況的重要參數(shù)，對心電、體溫進行長期準確的測量與監(jiān)護能夠為預防和診斷疾病起到至關(guān)重要的作用，特別是獨居老人或有心臟病的人來說，預防更為重要。

2.2.1 心電信號監(jiān)測模塊

心電信號檢測模塊采用TI公司的ADS1292R芯片完成；ADS1292R的特征如下： ADS129X是低功耗、多通道、同時采樣、具有集成可編程放大器（PGA）的24位delta-sigma（ΔΣ）模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器。每個PGA前面有個EMI濾波器，可以抑制電磁干擾，減少噪聲。這些設(shè)備包含各種不同的心電圖的特定功能，使它們非常適用于可擴展的心電圖（ECG），腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG）的應(yīng)用。通過關(guān)閉適用于心電圖的特定功能電路，這些設(shè)備也可用于高性能多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。ADS1292R提供兩種不同的器件時鐘方法：內(nèi)部和外部，內(nèi)部時鐘非常適合低功耗、電池供電系統(tǒng)。

有2路差分輸入，減少共模干擾，IN1P， IN1N是通道1組，可用于呼吸測量；IN2P，IN2N是通道2，可用于采集心電信號，ADS1292R 內(nèi)部右腿驅(qū)動電路選擇通信號加載在人體上，從而降低共模干擾。從TI的資料可以知道，引腳RESP_MODP，RESP_MODN是 輸出調(diào)制頻率的，其頻率可設(shè)置為32KHz或者64kHz，與31腳32腳相連的電阻R11和R12是限制電流輸出的，因為作為醫(yī)療產(chǎn)品在標準上是有漏電流的限制。C19～C24電容都是限制直流留到人體，防止對人體造成傷害的。ADS1292R的呼吸通道是通道1，要注意，測量呼吸時，PGA1P,PGA1N引腳接的濾波電容為47nF，測量心電圖時4.7nF即可。

ADS129X有一個高度可編程多路復用器，可用于溫度、供電、輸入短路和RLD（右腿驅(qū)動）測量。此外，該多路復用器允許任何輸入電極被編程為患者參考驅(qū)動器。PGA增益從7個設(shè)置中選擇：1、2、3、4、6、8或12。使用SPI兼容的接口與設(shè)備通信。硬件連接圖如圖2所示。由于篇幅限制，這里僅畫出三導聯(lián)與ADS1292R的電路連接圖。詳細原理圖可以參考ADS1292R芯片數(shù)據(jù)手冊。

圖2 ADS1292R模塊與三導聯(lián)的電路原理圖

2.2.2 人體體表溫度的測量

人體溫度監(jiān)測模塊采用TI公司的LMT70溫度傳感器與ADS1115 AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。LMT70是一款超小型、高精度、低功耗CMOS模擬溫度傳感器，具有輸出使能引腳。LMT70在溫度感測方面應(yīng)用廣泛，例如物聯(lián)網(wǎng)（IOT）傳感器節(jié)點、醫(yī)用溫度計、高精度儀器儀表和電池供電設(shè)備。其特點是精度高，功耗低。

ADS1115是具有16位分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，采用超小型的無引線 QFN-10 封裝或 MSOP-10 封裝， ADS1115 具有一個板上基準和振蕩器。 數(shù)據(jù)通過一個 I2C 兼容型串行接口進行傳輸； ADS1115 具有一個板上可編程增益放大器 (PGA)，該 PGA 可提供從電源電壓到低至 ±256mV 的輸入范圍，因而使得能夠以高分辨率來測量大信號和小信號。 ADS1115 可工作于連續(xù)轉(zhuǎn)換模式或單觸發(fā)模式，后者在一個轉(zhuǎn)換完成之后將自動斷電，從而極大地降低了空閑狀態(tài)下的電流消耗。這些低功耗的特征，適合電池供電的便攜式設(shè)備。數(shù)字型AD轉(zhuǎn)換方便了數(shù)據(jù)的讀取，I2C總線接口節(jié)約了芯片的引腳，易于開發(fā)。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 體溫測量原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件包括下位機數(shù)據(jù)采集程序與客戶端應(yīng)用程序，下位機負責傳感器的控制采集與數(shù)據(jù)傳輸，客戶端對下位機的數(shù)據(jù)進行接收與處理、顯示。

■3.1 NB-IOT遠程傳輸

BC20采 用MQTT 協(xié) 議 接 入 ONENET 平 臺， 進 入ONENET 平臺后，就可以進入到平臺端了。第一次使用需要注冊，現(xiàn)在一般都是實名制要求，用戶注冊的時候，按照模塊操作說明，來進行注冊，當注冊好，設(shè)備會顯示離線，這時只要單片機端控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到ONENET平臺進行激活就可以了。

設(shè)備接入步驟如圖4所示。

圖4 onenet接入流程

■3.2 終端數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集程序由初始化程序，傳感器控制程序，與NBIOT模組串口通信程序等組成。監(jiān)測模塊上電之后先進行初始化，保證串口通信正常。先由控制器向NB-IOT模組發(fā)送AT指令，通過NB-IOT模組的應(yīng)答信息判斷模組是否正常連接NB-IOT網(wǎng)絡(luò)。在完成正常接入網(wǎng)絡(luò)之后，通過LCD顯示程序主要功能操作說明，通過按鍵來選擇需要開啟的傳感器，主控芯片將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給NBIOT模組，同時也將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理在顯示屏上顯示。單元模塊溫度采集ADS1115操作流程：

（1）初始化配置寄存器

①寫入器件地址0x90（從機地址）

②寫入0x01（配置寄存器地址）

③寫入高字節(jié)（配置寄存器的高8位）

④寫入低字節(jié)（配置寄存器的低8位）

（2）配置轉(zhuǎn)換寄存器

①寫入0x90（從機地址）

②寫入0x00（轉(zhuǎn)換寄存器地址）

（3）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果

①寫入0x91（從機地址）

②讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高字節(jié)

③讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低字節(jié)

ADS1115與主機通信，采用的是IIC總線協(xié)議，它的初始化、讀數(shù)據(jù)C語言程序如下：

unsigned chr ADS1115_Init( )

{ IIC_Start();//啟動

IIC_Send_Byte(0x90); //發(fā)送器件地址

IIC_Wait_Ack();//等待應(yīng)答

IIC_Send_Byte(0x01); //寫配置寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//等待應(yīng)答

IIC_Send_Byte(0xB3);//寫配置寄存器數(shù)據(jù)高8位，模擬信號從通道0單端輸入，兩成4.096V

IIC_Wait_Ack(); //等待從機應(yīng)答

IIC_Send_Byte(0x83); //寫配置寄存器數(shù)據(jù)低8位，單次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速率128SPS

IIC_Wait_Ack();

IIC_Stop();

delay_us(20);//延時

return 1;}

根據(jù)ADS1115工作時序圖，寫出ADS1115讀數(shù)據(jù)的函數(shù)如下：

float ADS1115_ReadAD(void)

{float ret;

unsigned int data;

IIC_Start(); //主機發(fā)送啟動信號

IIC_Send_Byte(0x90);//ads1115器件寫地址

IIC_Wait_Ack();

IIC_Send_Byte(0x00);//寫轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//從機應(yīng)答

IIC_Stop();

IIC_Start();

IIC_Send_Byte(0x91);//寫讀器件地址

IIC_Wait_Ack();

data=IIC_Read_Byte(1);

master_Ack();//主機發(fā)送應(yīng)答信號

data=(data＜＜8)+IIC_Read_Byte(1);

master_Ack();//主機發(fā)送應(yīng)答信號IIC_Stop();

//數(shù)值計算取決于PGA配置

if(data＞0x8000)

ret=((float)(0xffff-data)/32768.0)*4.096;

else

ret=((float)data/32768.0)*4.096;

return ret;

}

單元模塊心率采集ADS1292R軟件配置寄存器初始化有關(guān)寄存器：

①寫配置寄存器1=0x01，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，采樣率為250。

②寫配置寄存器2=0xa0，內(nèi)部參考電壓為2.42V，禁止CLK引腳輸出信號。

③ 寫通道1設(shè)置寄存器=0x30，設(shè)置增益為3，正常節(jié)點輸入。

④寫通道2設(shè)置寄存器:0X40-正常操作，接電極，放大4倍

⑤右腿驅(qū)動寄存器RLD_SENS:0X2C-RLD緩沖使能，RLD接入2N,2P，PGA16分頻

⑥ 寫呼吸控制寄存器1=0xF2，使能呼吸調(diào)制解調(diào)電路，呼吸解調(diào)相位為135°，時鐘為32kHz，內(nèi)部時鐘

⑦寫呼吸寄存器2:0X03-32K,RLD參考接（AVDD+AVSS)/2

⑧GPIO寄存器：0X0C-設(shè)置為輸入

⑨start引腳置高電平，AD采樣啟動

ADS1292R提供較為靈活的操作命令：

（1）系統(tǒng)命令：

WAKEUP喚醒待機模式-0x02

STANDBY進入待機模式-0x04

RESET 復位命令-0x06

（2）讀數(shù)據(jù)命令

RDATAC使能連續(xù)讀模式-0x10

SDATAC停止讀-0x11

（3）寄存器命令：

RREG讀寄存器命令-0x20

WREG寫寄存器命令-0x40

對ADS1292R的操作包括讀寄存器（器件的ID號）、寫寄存器（初始化寄存器）、讀數(shù)據(jù)、寫命令。

根據(jù)SPI通信協(xié)議，調(diào)用SPI寫庫函數(shù)，寫寄存器流程：

CS=0 ；//引腳片選信號低

SPI_I2S_SendData(SPI1,0x40|寄存器地址);

SPI_I2S_SendData(SPI1, 寄存器數(shù)量);

SPI_I2S_SendData(SPI1寄存器數(shù)據(jù));

寫命令操作流程：

START=0；//引腳start低電平

CS=0 ； //引腳片選信號低

SPI_I2S_SendData(SPI1, SPI操作命令);

START=1；//引腳start高電平

CS=1 ； //引腳片選信號高

ADS1292R輸出數(shù)據(jù)格式時序如圖5所示。

圖5 ADS1292R輸出數(shù)據(jù)時序圖

當18腳片選信號CS低電平，啟動ADS1292R轉(zhuǎn)換，22引腳DRDY低電平時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，讀21腳DOUT輸出信號，共讀取9個字節(jié)，其中前3個字節(jié)是有關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，后面6個字節(jié)分別是通道一3個字節(jié)呼吸信號，通道二3個字節(jié)心電信號。

ADS1292R與主機通信采用的同步串行總線SPI協(xié)議，需要注意的就是讀寫寄存器時，SPI的時鐘頻率不能太快，不能超過芯片內(nèi)部時鐘的2倍。如果使用芯片內(nèi)部時鐘的話就是512K，SPI時鐘不能超過1M，如果使用外部的2.048M時鐘的話，那么SPI的速度不能超過4.096M。讀寫寄存器時SPI的速度太快會造成讀寫不正常。

■3.3 用戶終端監(jiān)測軟件

使用QT軟件進行終端人機交互界面的開發(fā)，容易開發(fā)具有良好的圖形用戶界面。終端應(yīng)用軟件通過監(jiān)聽端口訪問遠程服務(wù)器讀取心電、溫度信號，利用C++編程語言實現(xiàn)心電信號，溫度數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示、回放，存儲以及異常的分析報警。用戶界面包括用戶登錄，數(shù)據(jù)顯示，遠程控制等操作軟件可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取最近一周的數(shù)據(jù)，通過軟件處理使數(shù)據(jù)可視化，觀察心率，心電圖，體溫在一段時間內(nèi)的變化趨勢。

4 結(jié)語

設(shè)計系統(tǒng)基于NB-IOT傳輸，終端設(shè)備通過移動OneNet平臺方便快捷連入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)變化。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單，通信準確可靠，便捷的使用極其適合中老年人，具有一定的應(yīng)用前景。