遠程心率監護及急救系統設計＊

張曉林，李賡，劉承橋，李柏年

（1.蘭州大學 信息科學與工程學院，蘭州 730000；2.浙江大學）

張曉林（碩士研究生），研究方向為計算機科學、計算機應用技術。

引 言

心率是人體最重要的生理信號，反映了人的身體健康狀況。傳統的心電信號采集是通過十二導聯電極采集心電信號，只能在醫院內進行。目前市場上的心率測量器可通過在指尖上佩戴傳感器測量人的心率，但這種設備不能對人體心率狀況進行實時跟蹤監測［1］。對于老年人、孕婦等特殊人群的異常和突發狀況不能及時獲取并給予救治。因此設計一套能夠實現遠程監控病人身體狀況，并在病人心率發生異常時給予快速有效的救援系統有非常重要的現實意義。本文利用GPRS無線網絡和BD2／GPS定位技術將病人的實時心率和所在位置發送到監控中心，以便于醫護人員能夠實時了解患者身體狀況并在發生異常狀況時采取快速有效的措施。

1 系統總體結構

本系統由人體心率監測裝置和監控軟件兩部分組成。心率監測裝置包括定位裝置、心電采集模塊、急救按鈕、存儲器和GPRS無線傳輸模塊。監控軟件運行在普通PC機或服務器上，用于遠程監護病人的身體狀況和位置信息。如圖1所示，監測裝置中的GPRS無線傳輸模塊通過基站與監控軟件通信［2－4］。

圖1 系統結構圖

系統工作時有如下兩種情況：

①病人身體狀況良好且未按下急救按鈕時，設備將采集到的正常心電信號和定位信息存儲在本地存儲器MicroSD卡中，同時將心率和位置信息通過網絡發送給監控軟件。

②當病人心率異常或按下急救按鈕時，設備通過無線網絡向監控軟件發送報警指令。監控軟件收到報警指令后提醒患者家人和醫護人員采取急救措施，同時監控軟件將監測裝置發送的地理坐標轉換為位置信息并顯示在百度地圖上，以方便及時搶救病人。存儲于監測裝置MicroSD 卡中的心電數據還可通過上位機軟件恢復成心電曲線，以方便醫護人員分析患者病情。

2 硬件系統

硬件系統結構圖如圖2所示，包括STM32主控制器、心電傳感器、急救按鈕、MicroSD 存儲卡、UM220BD2／GPS聯合定位模塊、SIM900A GPRS無線傳輸模塊。本系統中UM220模塊和GPRS模塊分別連接STM32的串口2 和 串 口3，MicroSD 卡 采 用SPI接 口 與STM32 的SPI2接口相連。心電傳感器輸出的模擬信號連接單片機的ADC模塊進行心電的采樣。

圖2 硬件系統結構圖

2.1 STM32主控制器

系統使用意法半導體公司基于ARM 內核的32 位STM32F103RBT6微控制器，主頻可達72MHz，內部集成有高達128KB的Flash和20KB的SRAM，供電電壓為2.0～3.6V，并帶有可編程電壓監測器，有多個定時器和通信接口可用，其內部集成的2個12位模／數轉換器轉換時間僅1μs，輸入通道有16個之多。

2.2 心電采集

系統采用光電容積法采集病人的心電信號。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時會造成透光率不同來采集心電信號。使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（500～700nm）的發光二極管，由于血液循環與心臟的跳動有關，所以光電變換器接收到的信號反映了心臟的心電信號。光電變換器采集到的模擬心電信號一般需要通過放大、濾波、采樣、量化4個過程轉換為數字信號。本系統的心電采集模塊集成了放大和濾波功能，采樣和量化由STM32F103RBT6微控制器完成。光電容積法心率測量是監護測量中最普遍的方法之一，具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高和性價比高等特點，便于普及推廣應用［5－6］。

2.3 UM220定位

我國自行研制的北斗全球衛星導航定位通信系統，是世界上第3個成熟的衛星導航系統。系統采用和芯通星生產的單芯片BD2／GPS接收模塊UM220，可利用北斗衛星和GPS衛星進行聯合定位。空間定位精度可達到3m，有UART、SPI、I2C 三種交互接口可用，輸出數據格式為NMEA 0183。系統將模塊串口與控制器串口相連，從＄GNRMC語句中提取出經緯度信息，經GPRS模塊發送給監控軟件。

2.4 MicroSD卡和GPRS無線通信模塊

MicroSD卡是目前廣泛使用的移動存儲設備，具有體積小、容量大的特點。系統將采集到的心電信號和位置信息備份到MicroSD卡中。

GPRS無線傳輸模塊是本系統實現遠程監護的關鍵部分，GPRS網絡是在GSM 網絡基礎上建立起來的，覆蓋范圍非常廣。系統使用的SIM900A GPRS 無線模塊內置TCP／IP協議棧，非常適合移動互聯網應用。系統使用該模塊發送UDP數據包，將位置和心率信息傳輸給監控軟件。

3 軟件系統

3.1 主控制器軟件部分

主控制器是心率監測裝置的核心部件，主要任務有：①將心電傳感器的模擬信號轉換為數字信號，并對該信號進行卡爾曼濾波、波峰檢測、心率計算；②解析UM220 BD2／GPS模塊接收到的定位信息，并進行均值濾波處理；③在MicroSD卡中建立FAT32文件系統，并將心電和位置數據存儲在其中；④控制SIM900A GPRS無線模塊正常工作，并利用它與后臺監控軟件進行通信，將心率和位置信息發送到后臺監控軟件；⑤檢測心率是否異常及急救按鈕是否按下，若是，則向后臺監控軟件發送報警信號；⑥管理和協調以上5個任務合理工作。圖3是主控制器程序流程圖。

圖3 主控制器程序流程圖

3.2 監控軟件

監控軟件采用Qt軟件編寫，建立UDP服務器用來接收監測裝置發回的位置和心率數據，并在接收到急救命令時報警提醒患者家人和醫護人員采取救援措施。

監控軟件采用多線程以保證信息接收和界面響應的實時性。程序執行步驟如下：

①UDP服務器接收到監測裝置發回的數據，并進行判斷，若是報警信息，則報警；

②將接收到的數據中的地理坐標通過百度地圖提供的HTTP接口轉換為百度坐標；

③調用JavaScript接口將百度坐標位置顯示在地圖上，并利用HTTP接口將百度坐標轉換為街道信息；

④顯示所有數據，并等待下一幀數據到來。

4 系統測試

圖4所示為根據上述原理設計制作的心率監護裝置，該裝置能夠實現心率的采集、濾波處理和存儲發送，以及BD2／GPS定位數據的正確解析和發送。

圖4 心率監護裝置

圖5為監控軟件根據存儲在MicroSD 卡中的數據恢復出的心電曲線。圖6為上位機監控界面，能夠實時顯示病人的正常心率為每分鐘79次，以及此次的測試地點為蘭州大學飛云樓，蘭州大學所在地址甘肅省蘭州市天水南路222號。

圖5 心電曲線

圖6 監控軟件界面

結 語

本文將GPRS無線通信網絡和BD2／GPS定位技術應用到遠程心率監護系統中，此系統不限于在室內使用，覆蓋范圍較廣，實用性較強。如果病人使用此系統，能夠將其心率和位置及時可靠地發送到監控上位機端，并且可以對異常情況進行報警，具有很高的實用價值。

［1］Nurul Fauzana Imran Gulcharan，Hanita Daud，Nursyarizal Mohd Nor，et al.Investigation and Development of Remote Vital Signs Monitoring Device Using Wireless Communication［C］／／2014 5th International Conference on Intelligent and Advanced Systems.Malaysia：IEEE Computer Society，2014.

［2］Yougui Liu，Baoxing Bai.Research on GPRS Vehicle Location Network Service System［C］／／CMCE.Changchun：IEEE Computer Society，2010.

［3］劉賓，陳占帥，褚志鵬，等.基于GPRS的智能公交站牌顯示系統設計［J］.電子設計工程，2014，22（11）：134－136.

［4］辛凱，張喜驗，綦聲波，等.基于STM32的海洋環境數據采集系統設計［J］.山東科學，2014，27（2）：8－12.

［5］María J，Morón，Eduardo Casilari，Rafael Luque，et al.A Wireless Monitoring System for Pulse－oximetry Sensors［C］／／Systems Communications 2005.Montreal：Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society.

［6］Mohammad Ashekur Rahman，Atanu Barai，Asadul Islam，et al.Development of a device for remote monitoring of heart rate and body temperature［C］／／ICCIT 2012.Chittagong：IEEE Computer Society，2012：411－416.