可穿戴式遠程心率監測系統設計

秦宏伍，孫 楠

(1.長春大學 電子信息工程學院； 2.長春光學精密機械與物理研究所 機械電子工程研究室， 長春 130022)

心率是人體生理研究和臨床醫學上最為常見的測量參數。隨著可穿戴醫療類設備的興起，已經出現用來測量心率的監測設備，能讓擁有此類設備的用戶隨時隨地測量心率。目前，關于心率監測的可穿戴設備品類繁多。不過，從功能上看，這些設備充其量也就是提供碎片化的數據記錄，離實質性的健康服務還相差甚遠。隨著人們對健康問題的日益關注，如何長期有效地對個人健康進行監護和管理成為社會關注的焦點之一。穿戴式的健康信息感知終端可以在不經意間，在不影響日常生活的情況下，將用戶的健康信息、生理指數進行采集并傳遞到云端，建立起完善的健康記錄，為每一個移動用戶提供豐富的健康服務。

1 總體設計方案

本次設計的可穿戴式設備由STM32系列微控制器，利用心率傳感器模塊研究人體心率指標的數據測量。附加以有害氣體傳感器以及溫濕度傳感器為核心的外界環境監測，增加人機交互界面，實時對所采集的數據參數進行顯示。配合GPS定位模塊+GPRS無線通信模塊，實現了對穿戴者的安全定位。即當所測得穿戴者的人體生理指標數據超出預設的范圍時，能夠及時地向監護人發送提示短信。并實時將數據通過無線網絡發送至遠程監測平臺，通過智能醫療監測設備實現對穿戴者情況的同步顯示，以便工作人員及時分析穿戴者的健康狀況和所處環境。從而及時得到遠程健康提醒，實現健康的雙重保護。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 STM32F103ZET6最小系統設計

STM32中央控制器的主要功能是將測量模塊測得的數據進行處理和分析，并通過無線通信模塊發送給終端服務器，通過算法程序實現整個系統的控制。STM32控制器具有很強的數據處理能力，并且有足夠大的存儲器對數據進行存儲。另外，中央控制器和終端服務器之間要通過網絡進行通信，控制器要實現網絡功能的擴展，再考慮到價格、功耗以及穩定性，最終選擇了STM32F103ZET6作為中央控制器的處理器。

主控芯片STM32F103ZET6是基于Comer-M3架構32位的RISC內核微控制器，是STM32系列中的性能增強型產品。具有強大的內部集成資源，以及豐富的外設接口，具有較高的代碼編寫效率，普遍使用的8、16位控制系統的程序存儲空間上釋放了ARM內核的高性能，能夠很好地實現本課題的相關要求。

2.2 心率模塊電路

MAX30102心率模塊供電電壓為1.8V～5.5V。心電信號的采集硬件主要有增益、輸入阻抗、共模抑制比和頻率特性這些指標。為此，需要對采集硬件電路的這些指標進行測量。該模塊主要用到了濾波和放大兩部分電路。光電測量法容易受到其他電子設備引起的電壓波動和噪聲，首先需要進行濾波。濾波后的信號采用低功率運算放大器。采用這種控制方式可以大大降低整個心率傳感器模塊的功耗。模塊與主控芯片的通信方式為I2C通信，該模塊電路原理圖如圖2所示。

圖2 MAX30102心率模塊原理圖

2.3 A7模組(GPS+GSM+GPRS)電路

圖3 A7_MODULE接口電路圖

A7模組(GPS+GSM+GPRS)工作電壓為5V，由USB供電實現。A7_MODULE包括42個引腳，需要接入相應的外圍電路才能工作。外圍電路主要有電源管理電路、啟動電路、串口通信電路等。本設計僅用到了電源管理電路、啟動電路、串口通信電路、SIM卡電路和指示燈電路。該模塊所有的硬件接口通過一個ZIF連接插頭對外引出，使得系統的硬件電路部分的設計更加方便簡潔，其50歐阻抗的天線和SIM卡座都可以很方便得連接到該模塊上。A7_MODULE接口電路如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 軟件開發平臺簡介

STM32單片機程序是在Keil uVision4 MDK集成開發環境中開發進行的，使用KeiluVision4C編寫程序，對單片機系統進行控制，包括源代碼的編寫、編譯和鏈接，并最終生成可執行文件下載到單片機中。

Keil uVision4 MDK集成開發環境如圖4所示。

圖4 MQ135 Keil uVision4 MDK集成開發環境

3.2 軟件總體設計

監護系統除了硬件電路以外，軟件部分的設計也是關鍵。本系統軟件部分采用前后臺的設計思路，前臺部分是軟件的主程序，后臺由中斷服務程序組成，主要包括串口接收中斷服務程序，定時器中斷服務程序等。

系統主要工作流程如下：利用心率傳感器、GPS定位對穿戴者的信息進行采集，并將采集到的數據送到主控進行處理，通過計算程序控制GPRS模塊，從而驅動GPRS模塊向手機終端發送短信提醒，并向醫院服務中心發送數據，以達到監測的目的。主程序流程圖如圖5所示，在main函數中實現。中斷服務處理子程序如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷服務處理子程序圖

3.3 A7模組軟件設計

主控芯片STM32利用串行口與A7模組進行通信，通過模塊特有的AT指令實現其功能控制，A7模組自身的反饋機制可以使我們清楚地獲知發送的指令是否被正確執行。GSM發送短信流程如圖7所示。

心率數據的無線遠程傳輸是由單片機通過串口通信控制A7模組來完成。在模塊初始化的過程中，我們已將波特率選擇為125600，8位數據位，1位停止位，無校驗位。A7模組在進行數據傳輸之前，要與網絡建立連接，主要由A7模組中的GPRS通訊實現。GPRS首先要和電腦服務器建立TCP通訊，具體的數據傳輸流程如圖8所示。

圖7 GSM發送短信流程

圖8 心率數據傳輸流程圖

4 系統性能測試

4.1 心率監護的短信功能

本課題設計的遠程無線心率監護系統樣機完成以后，還必須進行進一步的驗證與完善，確保其準確性和可靠性。定義主界面“保存”按鈕的功能，即將當前的心率數值作為一條記錄進行保存。同時設置不同的范圍完成短信息服務，部分心率數據短信測試結果如圖9所示。

圖9 心率數據的短信息提示

4.2 遠程服務器監護軟件的測試

遠程服務器監護軟件的測試中用到了內網映射技術，其中，用到了 “花生殼”軟件，花生殼會分配我們一個外網訪問地址。然后在自己電腦上建立一個服務器和一個客戶端，看能否進行正常通訊，只有完成了互相發送數據，才可以進行GPRS模塊收發數據。A7模塊在A6的基礎上增加了GPS功能，應用GPS功能實現了對應用人員的定位功能。運行軟件能夠實時顯示率數據和應用人員的經緯度信息，如圖10所示。

圖10 心率數據和經緯度信息的實時顯示

服務器終端收到經緯度信息，然后應用GPS測試工具實現對應用人員的準確定位，如圖11所示。

圖11 應用人員的準確定位

5 結語

本課題設計了一款不同于市面上的可穿戴式設備。針對的用戶群體為養老院和社區老人。產品在通信及物聯網大環境下，實現遠程通信及用戶的健康監護。基于A7模組的老人健康遠程監護方案，實現了把用戶的心率數據通過GPRS網絡實時轉發的功能，同時，設計附加有害氣體傳感器和溫濕度傳感器為核心的外界環境監測，為用戶提供全天候的動態心率數據和空氣質量指標的提示。這一設計是對遠程健康監護系統方案的嘗試探索，通過對各模塊的功能調試以及綜合測試，該系統實現了預期的各項功能，完成了預定的設計目標。