基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀

邱云翔，蔡成林，孫 凱，于 鵬

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀

邱云翔，蔡成林，孫 凱，于 鵬

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

為了實時檢測老人在戶外的心率健康狀況，設計了一種基于北斗的心率檢測儀。當老人心率異常時，可以通過穿戴式檢測設備及時通知老人的監(jiān)護人和醫(yī)護人員，并告知確切的位置，以獲得最快的醫(yī)治。系統(tǒng)由心率信號采集與處理、GSM模塊通信、北斗定位、STM32F405組成，實現(xiàn)對心率信號實時采集與處理，遠程監(jiān)護老人心率健康與定位，對北斗民用化在便攜式醫(yī)療中的應用有一定的參考意義。關鍵詞: 心率檢測；GSM模塊；BD定位；穿戴式；北斗民用化

隨著中國進入人口老齡化社會，心血管疾病成為了老人健康的“頭號殺手”，給老人生命安全帶來巨大隱患[1-2]，對老人心率實時在線檢測能幫助減少這類隱患對老人的生命威脅。文獻[3]提出了一種基于GPS的遠程心電監(jiān)護定位系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)通過CDMA網(wǎng)絡將相應的心電數(shù)據(jù)傳送給PC機監(jiān)控中心，采用GPS對病人進行定位。文獻[4]提出了一種基于安卓手機的心率檢測方案，使用3個電極采集心電信號，通過安卓手機連接服務器上傳心電數(shù)據(jù)。文獻[5]給出了基于物聯(lián)網(wǎng)概念下的便攜式心電監(jiān)護儀的設計方案，通過ZigBee和GPRS連接到網(wǎng)絡實現(xiàn)對用戶的實時監(jiān)測，采用GPS進行定位。目前正是國家大力推廣具有知識產(chǎn)權的北斗導航定位系統(tǒng)進行民用產(chǎn)品開發(fā)之際，本文設計了一種基于北斗的老人心率監(jiān)護儀。該儀器具有心率異常檢測、位置報告等功能和可穿戴、低功耗等優(yōu)點，以及良好的技術先進性和極大的社會價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構

系統(tǒng)的核心Cortex M4內(nèi)核STM32F405為控制器，通過壓電陶瓷片的壓電效應檢測脈搏跳動的采集信號，經(jīng)過放大和濾波、整形處理成脈沖信號，從而獲得心率信號并送入控制器；同時北斗模塊對用戶地理位置進行定位并送入控制器。控制器將獲得的心率信號信息和經(jīng)緯度地理坐標信息通過GSM 模塊送給遠程監(jiān)護人員及急救人員；TFT觸摸屏可以方便病人實時查看自身的心率信號波形和地理位置信息。SD卡保存用戶的心率波形數(shù)據(jù)，醫(yī)護人員可通過串口與PC連接，根據(jù)這些記錄的信息進行相應的分析。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號。某些材料在機械應力作用下，引起內(nèi)部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷的現(xiàn)象，稱為壓電效應。具有這種性能的陶瓷稱為壓電陶瓷，它的表面電荷的密度與所受的機械應力成正比。

利用壓電陶瓷片的正壓電效應檢測脈搏震動，獲取心率信號。由于心率信號屬于生物信號，非常微弱且頻率很低，信號幅度在40 μV～2 mV之間，頻率范圍為0.3～3 Hz，很容易受到外界干擾，需要進行相應的放大、濾波、整形處理，通過檢測一個周期時間就可算出一分鐘心跳次數(shù)。心率信號采集和處理框圖如圖2所示。

圖2 心率信號采集和處理框圖

2 信號采集和處理電路設計與實現(xiàn)

2.1 高阻抗差動放大器電路設計

心率信號屬于微弱的生理信號，易受外界環(huán)境影響。根據(jù)這個特點，信號放大電路采用高阻抗差動放大器電路，又稱為儀表放大器，是數(shù)據(jù)采集、精密測量以及工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的重要組成部分，通常用于將傳感器輸出的微弱信號進行放大。具有高增益、高輸入電阻和高共模抑制比等特點。電路中的3個運放都接成比例運算電路的形式，電路包含兩個放大級，U1、U2組成第一級，二者均為同向輸入方式，因而輸入阻抗很高。由于電路結(jié)構對稱因此可以抵消漂移。第二級的U3為差分輸入方式，將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。在本電路中要求原件參數(shù)對稱， 即R2=R3，R4=R5，R6=R7。當加上差模輸入電壓UI時，由于U1和U2的輸入電壓U11和U12大小相等，極性相反，此時可以認為電阻R1的中點電位保持不變，即在R1/2處相當于交流接地。只要改變電阻R1，即可靈活調(diào)節(jié)輸出電壓與輸入電壓之間的比例關系。如圖3所示。

圖3 高阻抗差動放大器電路

2.2 多回路負反饋帶通濾波電路設計

(1)

Req=R1∥R2

(2)

(3)

根據(jù)上述公式，計算得R1、R2、R3分別為10.73 kΩ、26.91 kΩ、27.31 kΩ，C1、C2為10 μF，經(jīng)過仿真和調(diào)試驗證該濾波器選頻性能滿足系統(tǒng)需求。

3 系統(tǒng)軟件設計

心率檢測電路采集心率信號，STM32F405通過捕獲檢測心率頻率，并將心跳次數(shù)顯示在TFT觸摸液晶上，用戶可以選擇保存數(shù)據(jù)到SD卡中，如果檢測到心率信號不正常，發(fā)出警報，提醒用戶休息，并啟動GSM模塊，將當前心率健康信息、地心地固直角坐標系坐標信息發(fā)送給用戶的監(jiān)護人或者醫(yī)生。心率檢測與定位主程序流程圖如圖5所示。

圖5 心率檢測與定位主程序流程圖

4 北斗定位

本系統(tǒng)采用中科微電子ATGM332D雙模接收機模塊，可同時接收所有的GPS和BDS可見衛(wèi)星，定位精度5 m。根據(jù)接收機模塊輸出的原始數(shù)據(jù)進行解析和定位。包括對原始觀測數(shù)據(jù)、UTC數(shù)據(jù)、BDS 8參數(shù)定點電離層數(shù)據(jù)、BDS星歷解析，根據(jù)解析后獲得的數(shù)據(jù)進行靜態(tài)和動態(tài)偽距單點定位。

4.1 北斗單點偽距定位原理

(4)

校正后的偽距觀測方程式

(5)

4.2 算例分析

4.2.1 解析過程

ATGM332D雙模接收機模塊與控制器通過串口通信讀取原始數(shù)據(jù)，在接收到完整的一幀數(shù)據(jù)后，按照CASIC協(xié)議進行解析，根據(jù)標識符進行對應的解析，得到偽距、接收機時間、衛(wèi)星編號、衛(wèi)星數(shù)、星歷等數(shù)據(jù)。

根據(jù)觀測模型修正電離層誤差、對流層誤差、衛(wèi)星鐘差，對偽距觀測值進行平滑濾波處理，根據(jù)加權最小二乘法進行定位。

4.2.2 解碼結(jié)果

按照中科微BD2/GPS 接收機CASIC協(xié)議對觀測數(shù)據(jù)進行解析定位，將解算出的大地坐標系轉(zhuǎn)換為地心地固直角坐標系(ECEF)輸出。系統(tǒng)每一秒輸出(x，y，z)坐標，任意選取系統(tǒng)輸出的10 s定位數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2.3 單點偽距定位精度驗證

為了驗證單點偽距定位精度，采用和芯星通UR240-CORS-II BD2/GPS雙系統(tǒng)四頻高精度接收機采集北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)和滯后IGS精密星歷通過PPP[11-12]算法(精度厘米級)進行測定，測定出接收機天線相位中心位置坐標為(-2 005 037.143 2，5 411 160.991 5，2 707 856.914 7)。將系統(tǒng)解析獲得的定位坐標與精密坐標相減，獲得坐標(Δx,Δy,Δz)，即誤差值，連續(xù)采集一個小時數(shù)據(jù)獲得3 600個坐標進行分析，由圖表分析可知誤差范圍在5 m以內(nèi)，如圖6所示。

表1 ATGM332D雙模定位模塊解析10 s定位數(shù)據(jù)

年/月/日時/分/秒XYZ16/05/2909:22:35-2005037.79435411161.04802707856.057716/05/2909:22:36-2005038.029554111602707854.414816/05/2909:22:37-2005037.913754111602707855.418616/05/2909:22:38-2005037.026554111592707853.532216/05/2909:22:39-2005037.849054111612707855.531516/05/2909:22:40-2005037.249154111602707853.717916/05/2909:22:41-2005037.492554111602707855.354316/05/2909:22:42-2005037.885054111602707854.099916/05/2909:22:43-2005036.986054111602707855.390716/05/2909:22:44-2005037.146454111572707853.6076

圖6 誤差波形圖

5 結(jié)果分析

為了驗證“基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀”在實際應用中是否有效可靠、可行，進行心率采集、異常情況報告位置測試。邀請了20名身體健康且無心血管疾病史，年齡60～80歲男性志愿者，進行連續(xù)24小時佩戴監(jiān)測，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 志愿者24 h動態(tài)心率檢測統(tǒng)計表

性別人數(shù)年齡最慢心率最快心率24h平均心率異常次數(shù)報警次數(shù)男1060～705513375.611男1070～805311273.700

本次實驗統(tǒng)計得到20名志愿者24 h心率平均次數(shù)為74.65次/min，最慢心率為53次/min，最快為133次/min。老年人運動時心率達到90次/min，達到有效的心肺功能訓練。系統(tǒng)預先設計的異常閾值為120，如果心率次數(shù)大于120認為異常情況檢測儀開始報警，并向用戶監(jiān)護人或者醫(yī)療社區(qū)報告用戶位置。其中一名志愿者戶外運動時間長導致心臟負荷過大，系統(tǒng)檢測到了異常并報警。

6 結(jié)束語

本文研究了一種基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀，具有可穿戴性，能對老人心率實時在線檢測，具有異常心率報警，通過GSM通信將老人位置報告給監(jiān)護人和醫(yī)療社區(qū)。實際測試表明，本心率檢測儀具有心率檢測速度快、人機交互簡單、定位精度較高、系統(tǒng)可靠性較高等特點。在對志愿者進行調(diào)查得到的結(jié)果表明：1)志愿者對產(chǎn)品易用性很滿意；2)穿戴式設備沒有對生活帶來不便；3)穿戴式設備實時監(jiān)測讓志愿者更好地了解自己身體健康狀況。

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Elderly wearable heart rate detector based on Beidou

QIU Yunxiang，CAI Chenglin，SUN Kai，YU Peng

(GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuangxiGuilin541004，China)

To real-time monitor health conditions of heart rate for the elderly outdoor， a kind of system of the heart rate detection based on Beidou positioning is designed. When the elderly’s ECG is abnormal， the system can notify their guardians and caregivers through wearable testing equipment and inform the exact location to get the fastest treatment.The system consists of the heart rate signal acquisition and processing， GSM communication module， Beidou and STM32F405 composition， and has achieved real-time signal acquisition and processing of heart rate， remote monitoring and targeting elderly heart health. This has some reference value for Beidou civilian in portable medical application.

heart rate detection； GSM module； BD positioning； wearable； compass civilian

邱云翔，蔡成林，孫凱，等. 基于北斗可穿戴式老人心率檢測儀[J].電視技術，2017，41(2)：19-22. QIU Y X， CAI C L， SUN K，et al. Elderly wearable heart rate detector based on Beidou [J]. Video engineering，2017，41(2)：19-22.

TN927

A

10.16280/j.videoe.2017.02.005

國家自然科學基金項目(61263028)

2016-06-20

邱云翔(1991— )，碩士生，主研衛(wèi)星導航與無線通信；

蔡成林(1969— )，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星導航與無線通信、時空基準與位置服務等。

責任編輯：閆雯雯