基于STM32與Android的遠程心電監測分析系統

周童桐+毛維安+王丹瑤+閆麗

摘 要：常規心電監護設備活動局限性強，難以攜帶，且無法進行遠程監測。文中設計了一種遠程心電監測分析系統，該系統使用AD8232模擬前端進行心電采集，并由STM32微處理器處理信息，通過Android設備進行數據中繼，經由WiFi或3G/4G網絡與PC機實現遠程監測分析，因而能夠實現心電波形繪制，心率計算，頻譜心電圖分析，信息保存等功能。具有功耗低，成本低，精度高，體積小，易攜帶等特點。測試結果表明該系統運行穩定，各項功能均可達到設計要求，并在移動健康、智慧醫療等領域具有一定的實用性和廣泛的應用前景。

關鍵詞：心電監測；STM32；Android；頻譜心電圖

中圖分類號：TP393；TP274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）08-00-04

0 引 言

近年來，在人民生活水平不斷提高的同時，生活壓力的加大和較少的運動使得近年來心臟疾病的發病率大大上升。因心血管疾病具有病情隱蔽，突發性強，危險性高的特點[1]，故對高危人群進行日常監測，遠程診斷，對異常情況盡早發現并予以治療是一種行之有效的辦法。傳統的心電監護設備價格昂貴，體型笨重，難以實現日常監護。現雖有一些手持式心電監測設備[2，3]，但功能較少，不能連續監測及遠程數據傳輸，且普遍不滿足可穿戴的要求。因此，對于能夠連續監測患者心臟狀況，同時不限制患者活動空間的穿戴式心電監護設備的研究十分必要。

1 總體設計

由于現有設備不足，本文設計制作了一套基于STM32與Android系統的遠程心電監測分析系統。首先由單導聯電極采集心電信號，經由AD8232為核心的調理電路進行放大和模擬濾波；再由以STM32F103C8T6芯片為核心的數據處理模塊進行A/D轉換，并通過數字濾波器進行工頻陷波處理和高通濾波處理優化信號后，由藍牙串口發送至Android客戶端；之后由Android端程序對數據進行分析，繪制波形，對異常情況進行提醒報警，同時也作為系統的數據中繼，通過設置遠程PC對應的IP端口，將數據通過建立的TCP連接發送給PC端程序供專業人員查看與分析；PC端程序具有心率計算、頻譜分析、波形繪制、數據存儲等功能，且支持多用戶連接。系統總體框架如圖1所示，其中心電采集與調理電路、信號處理及發送電路為下位機部分，Android客戶端、遠程PC端為上位機部分。

2 系統硬件設計

系統硬件設計由心電調理電路與信號處理發送電路構成，作為ECG信號采集和處理的核心，為后端提供純凈的數字化心電信息。下位機硬件整體大小控制在4.5 cm×5 cm×1.5 cm之內，通過聚合物鋰電池供電，制成腕帶式裝置供佩戴使用。

2.1 心電采集與調理電路的設計

心電采集與調理電路部分需將頻率為0.05～100 Hz，幅值約1 mV的心電信號進行濾波提取并放大約1 000倍。故采用ADI公司推出的用于生物電測量的AD8232芯片；其在4mm×4 mm的范圍內集成了儀表放大器、增益放大器、右腿驅動電路等[4]。相較由分立元器件組成的采集電路更節省空間與功耗。

AD8232內置的儀表放大器可將采集信號放大100倍并對近直流信號進行濾波[5]。儀表放大器原理如圖2所示。

芯片內置雙極點高通濾波器，原理如圖3所示。濾波器截止頻率應設為0.05 Hz。參考公式（1），可取R1=R2=10 MΩ，C1=C2=330 nF。

（1）

AD8232提供了一個非專用運算放大器，用于低通濾波及額外增益，其低通濾波器原理如圖4所示。濾波器截止頻率設為100Hz，增益為10。參考公式（1）、（2），可取R1=R2=160 kΩ、R3=0.9 MΩ、R4=0.1 MΩ；C1=C2=10 nF。

（2）

2.2 信號處理電路的設計

信號處理電路部分采用ARM Cortex-M3內核的STM32F103C8T6作為主控芯片，在硬件資源滿足設計需求的同時，能大大減小所占空間，降低功耗，減少成本，滿足穿戴式設備的特點。此處使用的是由該芯片構成的最小系統，尺寸僅為2.3 cm×5.3 cm×0.3 cm，包含晶振，復位電路，SWD調試接口等。

2.3 無線傳輸模塊設計

對數字濾波優化后的信息進行數據幀編碼，并傳送到Android客戶端。為兼顧低功耗與小體積，采用搭載TI公司CC2240芯片的藍牙透傳模塊HC-08作為無線傳輸部分的主體，其采用Bluetooth 4.0協議，該技術不僅具備極低的運行和待機功耗，還提高了傳輸距離。

3 系統軟件設計

系統軟件由下位機的嵌入式應用程序與上位機的面向用戶應用程序（Android客戶端及PC客戶端）組成。下位機程序的功能是進行信號采集、濾波、編碼與發送；Android客戶端程序用于顯示波形及信息、中繼數據、提醒報警；遠程PC客戶端程序進行數據分析、保存、繪圖等。

3.1 單片機數據處理

作為下位機數據處理的核心，由STM32芯片構成的最小系統承擔心電信號A/D轉換，數字濾波以及藍牙發送的任務。程序流圖如圖5所示。

3.1.1 心電信號A/D轉換程序設計

STM32內部具有12位A/D轉換器，最高采樣頻率可達1 MHz[6]。心電信號的頻率主要分布在0.05～100 Hz間，根據Nyquist采樣定理，采樣頻率至少應設置為200 Hz，此處可將采樣頻率設置為500 Hz。同時將ADC配置為獨立模式、連續轉換、外部觸發，并禁止掃描模式。

經調理電路處理后的心電信號傳送至單片機ADC的1通道接口PA1上，使用DMA方式進行外設到內存的數據傳輸，DMA配置的關鍵代碼如下：endprint

DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC；//外設作為源

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=ADC1_DR_Address；//ADC基地址

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=100；//DMA通道的DMA緩存大小

DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular；//循環傳輸模式

此外，由于心電數據是一個連續傳輸的過程，故在進行DMA傳輸時可采用乒乓緩沖的原理，在內存中開辟兩個緩沖區BUF1和BUF2，根據空閑標志交替進行數據存儲和處理，可提高CPU處理數據的效率并有效避免數據丟失[7]。

3.1.2 數字濾波器程序設計

在實際應用中，50 Hz工頻噪聲是一種常見干擾，需設計陷波器濾除工頻干擾；對于呼吸或肢體活動引起的基線漂移則可通過設計一個下限截止頻率為0.5 Hz的高通濾波器消除。

在數字信號處理中，有IIR和FIR兩種設計固定頻率濾波器的方式，對于同樣的濾波器幅頻特性指標，FIR濾波器要求的階數一般比IIR高5～10倍[8]，導致運算量及信號延遲增大。故設計的數字濾波均使用IIR濾波器實現。

通過Matlab中的濾波器分析設計工具FDATool可直接生成濾波器參數，使用C語言導出在STM32芯片中使用。此處設計的工頻陷波器的系統函數為：

高通濾波器設計方式與陷波器類似，此處設計的0.5 Hz高通濾波器的系統函數為：

3.2 面向用戶的Android客戶端設計

Android客戶端程序基于Java的可擴展開發平臺Eclipse開發，其功能包括遠程數據中繼、心電波形繪制、接收遠程PC分析結果、異常報警等。Android客戶端的主要組件如下：

（1）藍牙接收：該部分負責與下位機的藍牙發送端建立無線通信鏈路，進行數據傳輸；程序啟動后，調用設備藍牙，打開BTAccept線程，偵聽藍牙所接收的數據；根據預設的數據幀協議，檢測到標志位后將數據幀解封裝并存入緩沖區，供SurfaceView控件及Socket Thread線程使用。

（2）網絡服務：Android客戶端程序在整個系統中最核心的作用即將數據中繼至遠程PC，故網絡服務組件負責根據用戶輸入的IP地址與端口，初始化后與遠程PC建立網絡連接，通過Socket Thread網絡收發線程與遠程PC機進行數據交互，遞送心電信息的同時接收分析結果。在此過程中建立TCP連接來提供可靠的數據傳輸服務，可有效避免數據丟失[9]。

（3）繪圖模塊：設備從下位機接收到可以識別的數據后，使用SurfaceView控件繪制心電波形，供用戶查看。

（4）短信發送：根據傳回的分析結果進行判斷，若有異常則可通過該組件給用戶事先保存的聯系人發送提示信息。

Android上位機程序流圖如圖6所示。

3.3 遠程PC上位機程序設計

PC機程序采用C++編寫，與Android客戶端通過WiFi或3G/4G網絡實現遠程數據傳輸，其主要功能如下：

（1）實時顯示用戶的心電波形，供專業人員查看。

（2）允許多用戶接入，可根據需要進行選擇，拓寬系統的應用場景。

（3）分析QRS波，采用動態閾值R波檢測，獲得并顯示心率信息，同時傳送至Android客戶端。

（4）運用FFT蝶形算法計算心電信號的頻譜，獲得頻譜心電圖（French Catheter Gauge，FCG）。

（5）可保存ECG數據到計算機中隨時查看。

遠程PC端程序流圖如圖7所示。

4 實驗結果

使用本文設計的系統進行實驗，測試現場如圖8所示。使用標準三導聯線與下位機（腕帶裝置）連接，導聯電位點如圖9所示。下位機與Android客戶端應用建立藍牙連接后，Android端所繪制波形及接收參數如圖10所示。Android與遠程PC上位機建立TCP連接，PC機繪制的波形及FFT頻譜分析分別如圖11、圖12所示。

從實驗結果中可以看出，應用該系統所采集的心電信息較為完整，波形清晰，噪聲干擾小，無明顯的基線漂移現象；經24小時連續使用測試，系統仍可正常工作，具備全天候持續監測及實時數據交互的能力。

5 結 語

本系統通過AD8232集成前端采集并初步處理信號，通過STM32微處理器進行A/D轉換、數字濾波并發送信息，借助常用的Android通訊設備實現數據中繼、信息顯示、異常提醒等功能，通過PC上位機實現遠程監測、波形保存、信息分析、結果回傳。同以往的便攜式心電監測設備相比，本系統使用AD8232模擬集成前端進行放大濾波，并將遠程網絡傳輸通過Android設備實現，從而極大地節省空間與成本，降低系統總體功耗，并使之具備遠程監測和易于攜帶的特點。經實測，該系統可實現多種環境下長期穩定的心電信息監測與分析，在移動健康及智慧醫療等物聯網領域具有一定的實用性和廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]陳偉偉，高潤霖，劉力生，等.《中國心血管病報告2014》概要[J].中國循環雜志，2015，31（7）：617-622.

[2]張鶴，夏利，孫丹.基于ARM11的便攜式心電監護系統[J].微型機與應用，2015，34（7）：86-89.

[3]盧潭城，劉鵬，高翔，等.基于AD8232芯片的便攜式心電監護儀設計[J].實驗技術與管理，2015，32（3）：113-117.

[4]佚名.低成本、低功耗、小尺寸心率監護儀功能模塊[J].電子產品世界，2012（10）：23.

[5] Analog Devices ，Inc.Single-Lead Heart Rate Monitor Front End[Z]. Norwood ，Massachusetts ，United States of America： Analog Devices，Inc.2012.

[6] STMicroelectronics. Mainstream Performance line， ARM Cortex-M3 MCU with 64 Kbytes Flash， 72 MHz CPU， motor control， USB and CAN[Z].Geneva， Swiss Confederation： STMicroelectronics.2015.8

[7]趙圣飛.基于STM32的數據采集存儲系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2014.

[8]高西全，丁玉美.數字信號處理（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[9] JF Kurose，KW Ross. Computer Networking： A Top-Down Approach（Sixth Edition）[M].Upper Saddle River ，State of New Jersey ，United States of America： Addison Wesley Longman，2013.endprint