基于ARM 的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

楊力

（鹽城三新供電服務(wù)有限公司，江蘇鹽城，224600）

0 引言

中國心血管報告編寫組于2017 年6 月發(fā)表了《中國心血管疾病報告2016》，旨在揭示城鄉(xiāng)居民心血管疾病死因情況。報告指出，目前心血管病是城鄉(xiāng)居民死因的最高占比，農(nóng)村和城市分別達(dá)到45.01%和42.61%。因此，加強(qiáng)心血管疾病的治療、預(yù)防和宣傳勢在必行，及時了解心臟機(jī)能對于預(yù)防和治療心血管疾病至關(guān)重要。

動態(tài)心電圖儀從1957 年Norman.J.Holter 發(fā)明至今已有60年歷史，是醫(yī)療領(lǐng)域不可或缺的電子儀器之一。然而，普通大眾難以將這種動態(tài)心電圖儀運用于日常監(jiān)測，從而未能在患病初期得到準(zhǔn)確檢測和及時預(yù)防。為此，急需一種方便攜帶的家庭心率檢測儀，以實現(xiàn)心率檢測的準(zhǔn)確性和便捷性，這是當(dāng)前心率檢測儀器發(fā)展的重要方向。目前，最為熱門的健康檢測儀器是可穿戴式家庭健康監(jiān)測儀，可實現(xiàn)心率、血壓、睡眠等與健康相關(guān)因素的測量。市面上大多數(shù)心率檢測儀器均采用光電心率傳感器進(jìn)行光反射測量，在人體靜止?fàn)顟B(tài)下，測得數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確；檢測儀器應(yīng)貼近心臟或指尖佩戴，以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)代化健康數(shù)據(jù)測量儀器的研究與發(fā)展具有重大意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計整體流程是通過脈搏波傳感器將模擬數(shù)據(jù)送往GPIO 口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)化得到的數(shù)據(jù)存儲在直接存儲器里且將計算得到的心率值存入存儲卡內(nèi)。通過按鍵來選擇用戶界面，當(dāng)按下按鍵時，會將存儲卡數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送到LCD。圖1 是本設(shè)計整體架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件設(shè)計

■2.1 微處理器的介紹

STM32F103 芯片電路圖如圖2 所示，在其中上部分的BOOT1 和BOOT0 控制STM32 的啟動方式。本設(shè)計中將BOOT0 設(shè)為1，BOOT1 設(shè)為0，則是串口下載代碼，下載完后通過FlyMcu 來將程序燒錄進(jìn)入開發(fā)板。

■2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計需要的身體健康指標(biāo)包括心率和血壓。數(shù)據(jù)采集模塊這部分所要實現(xiàn)的功能是完成兩路脈搏波的采集。本設(shè)計使用光電容積法測量心率。

該傳感器的工作原理如下：其數(shù)據(jù)輸入端口與STM32微控制器的PA1 端口相連，而正極則接入3.3V 電源。通過將PA1 端口配置為模擬輸入模式，指尖脈搏信號便可通過該端口傳入STM32 的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）模塊中。隨后，一個定時器會控制采樣周期并定時從ADC 模塊中采集脈搏信號。在中斷函數(shù)中處理這些采集到的數(shù)據(jù)，以計算心率。在使用傳感器過程中，應(yīng)盡量避免強(qiáng)光刺激，并將傳感器置于指尖位置。適當(dāng)使用黑布覆蓋手指，可防止光線干擾，從而提高傳感器的測量準(zhǔn)確度。

如圖3 所示，光電式脈搏傳感器的實物圖主要包括四個部分：光源、光接收器、濾波器和放大器。由于光接收器接收到的電信號為毫伏級別，容易受到干擾且難以檢測，因此在傳感器內(nèi)部采用差分放大器對信號進(jìn)行放大，并通過帶通濾波器（頻率范圍為0.05～200Hz）濾除干擾信號。本設(shè)計旨在實現(xiàn)便攜式測量，且使用者無需具備專業(yè)醫(yī)學(xué)知識，因此選擇脈搏波傳導(dǎo)時間（PTT）作為血壓測量方法。該方法的工作原理是測量兩路脈搏波，分別找到每次脈搏的峰值點，然后測量相鄰指尖脈搏峰值與橈動脈脈搏波峰值之間的時間差，即PTT。通過血壓與PTT 之間的回歸方程，可以計算得出血壓值。

圖3 光電容積脈搏波傳感器

如圖4所示，其接口是標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)接口，正極接入5V電源，數(shù)據(jù)輸入口接STM32 的PA2 口，將PA2 口設(shè)置為模擬輸入口，將送入的橈動脈脈搏波送往ADC 模塊。

圖4 HK-2000B 橈動脈傳感器

圖5 DHT11 接口圖

■2.3 溫濕度采集

本設(shè)計采用了一種成熟穩(wěn)定的數(shù)字傳感器，該傳感器是溫濕度一體化的，并且工作電壓為5V。該傳感器的溫度測量范圍為0℃～50℃，濕度測量范圍為20%～90%。由于它可直接提供數(shù)字信號，因此和STM32 通信時采用單總線連接。在DHT11 接口圖中，數(shù)據(jù)輸出口接在PA11 口。每一次的數(shù)據(jù)傳輸都是40 個bit，包括十六位的濕度和十六位的溫度。在校驗和與前四個字節(jié)相加的值相等時，數(shù)據(jù)為正確值，可以直接傳遞溫濕度值給STM32。在主函數(shù)中，當(dāng)按鍵0 按下時，STM32 會去讀取DHT11 傳感器的數(shù)值。

■2.4 數(shù)據(jù)存儲

要求智能健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠存儲歷史健康數(shù)據(jù)，因此需要將數(shù)據(jù)存儲下來，并可查詢以支持健康分析。為此，本設(shè)計選擇了存儲心率數(shù)據(jù)的SD 卡，這種容量較大、體積小的存儲設(shè)備可用于專門健康分析。SD 卡可采用SPI 和SD 總線兩種工作模式。由于STM32F103 系列不支持SD 總線，因此本文采用了SPI 模式對SD 卡進(jìn)行操作。圖6 是SD 卡的電路原理圖。

圖6 SD 卡電路示意圖

■2.5 LCD 接口電路

STM32 單片機(jī)提供兩路排針來外擴(kuò)2.8 寸LCD。LCD在本設(shè)計中用于顯示用戶健康數(shù)據(jù)的顯示。其電路圖如圖7 所示。TFTLCD 和STM32 在硬件接口如下所示：LCD_D[17:1]接PB[15:0]，LCD-CS 接PC9，LCD-WR 接PC7，LCD-RD 接PC6，LCD-RS 接PC8。

圖7 LCD 電路圖

■2.6 按鍵電路

在本設(shè)計中，通過按鈕來實現(xiàn)人機(jī)交互功能。在硬件連接上，如圖8 所示。KEY0 接PC5，KEY1 接PA15，WK-UP 接PA0。其中WK-UP 是高電平有效，無上下拉電阻。KEY0、KEY1 均是低電平有效，但是KEY1 有上拉電阻，KEY0 沒有，故在配置的時候要注意。

圖8 按鍵電路

3 程序設(shè)計

■3.1 主函數(shù)設(shè)計

主函數(shù)模塊的主要功能是進(jìn)行各子模塊的初始化，并提供人機(jī)交互界面，使用戶能夠通過不同的按鍵選擇要顯示的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)界面。系統(tǒng)的初始化包括ADC 模塊、定時模塊、LCD 模塊和LED 模塊等。在程序中，分別調(diào)用DHT11_Init()和SD_Init()進(jìn)行DHT11 和SD 模塊的初始化，利用while 循環(huán)進(jìn)行檢測，如果初始化失敗，則返回值為1，輸出警告信息，導(dǎo)致整個系統(tǒng)停止向下執(zhí)行，如果初始化成功，則程序繼續(xù)往下運行。最后，用戶可以通過按鍵選擇不同的界面，并在LCD 上顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖9 主函數(shù)流程圖

■3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要是兩路脈搏波數(shù)據(jù)的采集。本設(shè)計采用定時器3 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器一起來采集數(shù)據(jù)，由定時器控制采樣頻率。ADC 的配置流程圖，如圖10 所示。因為要求ADC 時鐘不能超過14M，時鐘分頻因子為6，則ADC 時鐘為72M/6=12M。

圖10 ADC 流程圖

■3.3 數(shù)據(jù)存儲

ADC 數(shù)據(jù)通過直接內(nèi)存訪問（DMA）進(jìn)行存儲。程序流程圖如圖11 所示。DMA 參數(shù)配置涉及以下幾個方面：由于不同的外設(shè)觸發(fā)DMA 時，數(shù)據(jù)傳輸通道各異。例如，當(dāng)ADC 觸發(fā)DMA1 時，其通道為通道1。因此，首先需要啟用DMA 時鐘并對通道1 進(jìn)行復(fù)位操作。使用DMA 時，需明確目標(biāo)地址和源地址，以及數(shù)據(jù)傳輸方向和每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度。在本設(shè)計中，ADC_DR 數(shù)據(jù)寄存器作為源地址，目標(biāo)地址為用于存儲兩個數(shù)據(jù)的數(shù)組，數(shù)據(jù)傳輸方向為從ADC_DR 到數(shù)組。啟用循環(huán)模式，并將數(shù)據(jù)增加方向配置為內(nèi)存地址寄存器遞增。這意味著當(dāng)ADC 數(shù)據(jù)傳輸完成一次后，數(shù)據(jù)將遞增1。這是因為DMA 最多可存儲65536 個數(shù)據(jù)。當(dāng)存儲空間已滿時，系統(tǒng)將自動從頭開始，覆蓋之前的數(shù)據(jù)。

圖11 DMA 流程圖

4 測試結(jié)果

測試結(jié)果如圖12 所示。該智能監(jiān)測系統(tǒng)界面具有多項功能。當(dāng)按下KEY0 時，系統(tǒng)將導(dǎo)航至當(dāng)前健康測量界面；而按下KEY1 時，將跳轉(zhuǎn)至歷史健康數(shù)據(jù)檢測界面。在此系統(tǒng)中，HR 代表當(dāng)前心率值，Temp 表示當(dāng)前溫度值，Humi代表當(dāng)前濕度值，而Comf 則表示當(dāng)前的舒適度。當(dāng)Comf顯示為“Comfortable for BPM”時，表明當(dāng)前環(huán)境較適合進(jìn)行心率測量。該值是通過綜合考慮當(dāng)前溫度、濕度以及心率得出的。若顯示為“Confortable”，則僅根據(jù)溫度和濕度判斷舒適度，而不考慮心率值。若顯示為“Alarm”，則意味著當(dāng)前溫濕度低于維持人體健康所需的環(huán)境，提醒用戶注意。如需更新數(shù)據(jù)，用戶可繼續(xù)按下KEY0。此外，用戶還可以通過查看串口直接觀察數(shù)據(jù)更新情況。在此系統(tǒng)中，BPM 表示心率值，BP 表示血壓值，而最后一行顯示的是SD 卡的總?cè)萘?。Heart Condition 用于表示心率是否處于正常范圍內(nèi)。

圖12 測試結(jié)果界面

5 總結(jié)與展望

本研究首先獲取模擬脈搏波數(shù)據(jù)，經(jīng)過采樣、心率計算和數(shù)據(jù)存儲后，將其與溫濕度數(shù)據(jù)一同傳輸至LCD 顯示器進(jìn)行展示。通過分析一定范圍內(nèi)的溫濕度與心率之間的相關(guān)性，得出熱舒適度指數(shù)。實驗結(jié)果表明，各個模塊的功能均滿足預(yù)期要求。然而，仍存在以下不足之處，有待進(jìn)一步優(yōu)化。數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)存在較多噪聲。為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在電路中加入濾波器，以消除脈搏波的基線干擾等。