一種簡易可穿戴的人體健康監(jiān)測設計

（西華大學，四川 成都 610039）

1 研究目的

本設計達成了對人體心率、體溫和運動狀態(tài)的實時監(jiān)控，通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C加以處理和顯示。通過對單個方案的改進，來實現(xiàn)以下特點:

（1）具有低功耗和便攜性，以方便長時間的穿戴。

（2）達到高精度的心率和溫度測量，具有很好的抗干擾能力。

（3）實現(xiàn)低延時高功率的無線傳輸，已實現(xiàn)實時顯示的目的。

2 實施方案

2.1 總體流程圖（如圖1）

2.2 電源設計方案

方案所需的溫度采集芯片、心電信號采集芯片以及運動傳感監(jiān)測都需要3.3V 的電壓保障其正常工作，所以我們通過LM2596 穩(wěn)壓芯片將12V 的電池輸入調(diào)節(jié)成穩(wěn)定的3.3V輸出電壓，用來供給整個系統(tǒng)。

同時注意到由于本設計采用的溫度采集芯片為TI 公司的LMT70，其特點是高精度的16 位AD 采樣。為避免LM2596產(chǎn)生的電壓波動影響溫度的精準性，需使用3.3V 的基準電壓給LMT70 以實現(xiàn)溫度補償，達到測量人體體溫高精度的目的。

2.3 模擬前端放大器

采用AgCl 電極片，減小基線漂移。心電信號通過二級放大，放大倍數(shù)1000 倍以上，第一級采用儀表放大器AD620 進行放大，二級電路用LM358 和OP07 構(gòu)成放大。通過ebyte 串口透傳，用于STM32 與電腦串口通信，附加MPU6050 用于測步和測距以及跌倒檢測。心電部分采用右腿驅(qū)動，減小工頻干擾。通過RC 與運算放大器構(gòu)成有源帶通濾波器，0.3HZ-106Hz 的頻率可以通過。電源部分采用AMS11175.0V 和7660s 構(gòu)成一對正負5 的電壓為運放供電。通過AMS11173.3V 穩(wěn)壓到3.3V 為STM32 進行供電。[1]

2.4 單片機部分

2.4.1 主控單元選取

由于心電采集芯片使用了TI 公司的ADS1292 芯片，具有24 位的高精度AD 采樣。STM32 系列的單片機具有片內(nèi)的AD 轉(zhuǎn)換器和多個外設接口，具有很好的擴展和移植性，因此適合完成IIR 實施濾波和應用擴展。

2.4.2 配置關鍵的Ads1292 芯片的寄存器

ADS1292_REG[CONFIG1]=0x00;//連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

ADS1292_REG[CONFIG1]|=Ads1292_Config1.Data_Rate;//設置采樣率125HZ

ADS1292_REG[CONFIG2]=0x00;//設置測試信號

ADS1292_REG[CONFIG2]|=Ads1292_Config2.Pdb_Loff_Comp<<6;//是否脫落

ADS1292_REG[CONFIG2]|=Ads1292_Config2.Pdb_Refbuf<<5;//緩沖器是否掉電ADS1292_REG[CONFIG2]|=Ads1292_Config2.Vref<<4;//參考電壓2.4v

ADS1292_REG[CONFIG2]|=Ads1292_Config2.Clk_EN<<3;//時鐘脈沖

ADS1292_REG[CONFIG2]|=Ads1292_Config2.Int_Test<<1;//是否打開測試信號

ADS1292_REG[CONFIG2]|=0x81;//默認位

2.4.3 配置關鍵的MPU6050 寄存器

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80);//復位MPU6050

MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00);//喚醒MPU6050

MPU_Set_Gyro_Fsr(3);//陀螺儀傳感器,±2000dps

MPU_Set_Accel_Fsr(0);//加速度傳感器,±2g

MPU_Set_Rate(50);//設置采樣率50Hz

MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00);//關閉所有中斷

MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00);//I2C 主模式關閉

MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00);//關閉FIFO

MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80);//INT 引腳低電平有效

2.5 信號干擾

2.5.1 干擾來源

通常由于電源線產(chǎn)生的50hz 的工頻干擾以及被測對象人體產(chǎn)生的熱噪聲干擾。[2]

圖1

工頻干擾多數(shù)是因為空間輻射、電源、電路與外界的接觸所產(chǎn)生的50hz 信號，一般采用屏蔽、濾波、使用差分信號（提高共模抑制）來減低其對信號的影響。人體干擾常見的是肌肉震顫，其產(chǎn)生是因為人體肌肉顫動所造成的噪聲信號（寒冷導致的戰(zhàn)栗以及緊張引起的肌肉抽搐）。

2.5.2 基于MATLB 的數(shù)字陷波

用陷波器來過濾50hz 信號，高通濾波器來過濾人體產(chǎn)生的0.5hz 以下的頻率干擾。通常在設計中使用IIR 或FIR濾波器，其中FIR 雖然具有良好的線性相位，但是其運算量和階數(shù)都比IIR 更大，因此無論是陷波器還是高通濾波都采用IIR 來設計。[3]

借助MATLAB 可以幫助我們快速的生成相關的參數(shù)。再將其翻譯成c 語音形式即可直接應用于單片機平臺。

導出濾波系數(shù)得到轉(zhuǎn)移函數(shù)：[4]

再根據(jù)濾波器直接II 型實現(xiàn)框圖，翻譯成c 語言代碼并燒錄到主控芯片中運行。

c 語言響應代碼：

2.5.3 基于MATLAB 的高通濾波器

同樣采用MTLAB 生成的IIR 的II 階高通濾波器來過濾掉人體產(chǎn)生的0.5hz 以下的頻率干擾，我們配置好相應參數(shù)后即可導出濾波系數(shù)。

得到響應函數(shù)：[5]

2.6 運動狀態(tài)監(jiān)測

2.6.1 基于MPU6050 六軸模塊設計運動狀態(tài)監(jiān)測

通過讀取MPU6050 內(nèi)置的x、y、z 軸上的加速度，通過高斯濾波將其3 個方向的數(shù)值合一得到一個預算的峰值，一個峰值變換對應一步數(shù)，同時將所得加速度經(jīng)過積分得到速度，即可計算出運動步伐。

由于產(chǎn)品佩戴于胸前，所以選取X 軸方筆直朝下，使用I2C 通訊協(xié)議，提取MPU6050 各軸數(shù)據(jù)，消除零點漂移之后，對加速度計的數(shù)據(jù)進行均值濾波，通過加速度計數(shù)據(jù)得到x 軸與重力加速度方向的角度，然后通過卡爾曼濾波融合陀螺儀的加速度，得到修正之后X 軸與重力加速度方向的傾角，實際實驗測試出臨界閾值。

2.6.2 加速度的C 語言計算代碼

表1

表2

表3

2.7 體溫監(jiān)測

TI 公司的LMT70 是低功耗高精度的模擬溫度傳感器。其16 位精度的AD 采樣使其工作在20°C-42°C 范圍時，誤差為±0.05°C。由于人體溫度剛好囊括在這一范圍，因此在確保其基準電壓的精準時，能準確的返回所需的數(shù)據(jù)。

由于LMT70 電壓傳遞函數(shù)不是標準的線性，所以采用三階傳遞函數(shù)方程來確保其工作在所需的最佳擬合中。

三階傳遞函數(shù)C 語言如下：

double a=-1.064200E-09;

double f=-5.759725E-06;

double c=-1.789883E-01;

double m= 2.048570E+02;

temp=a*(temp)*(temp)*(temp)+f*(temp)*(temp)+c*(temp)+m;//temp 初始溫度值

3 傳輸方式

3.1 方案選擇

方案一：使用藍牙3.0 模塊搭建單片機--手機或者單片機---單片機通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

方案二：使用Nrf24L-01 模塊搭建單片機--手機或者單片機---單片機通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸。

方案三：使用串口無線透傳完成單片機---電腦的無線通訊，使用串口傳輸發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。

由于藍牙模塊傳輸速率為24Mb/s,而ECG 要求傳輸數(shù)據(jù)大，所以使用藍牙傳輸會有一定的延時接收，同時由于藍牙的傳輸距離有限，無法實現(xiàn)遠距離的傳輸，因此不采用。Nrf 模塊在傳輸速率上達到了1ms 一包，一包大概32 字節(jié)，完全能滿足ECG 龐大的數(shù)據(jù)量。但是Nrf 需要與單片機搭配才能接收數(shù)據(jù)，提高了成本和電路復雜性，不予考慮。

而Ebyte 公司的串口透傳具有自動調(diào)頻功能，抗干擾能力強，傳輸效率高，傳輸距離遠。且減少了接收端的電路復雜性（只需要將usb 插上電腦即可）和發(fā)送端的操作難度（只需將數(shù)據(jù)通過printf 傳輸即可）。

圖2

3.2 理論分析

設計通過NRF24L01 無線串口透傳來實現(xiàn)人機無線傳輸。搭建的系統(tǒng)由下位機與上位機人機界面2 部分組成:先使下位機主機板STM32 控制芯片將采集的人體信息發(fā)送給無線透傳模塊，然后無線傳送到下位機從機板無線接收模塊，無線接收系統(tǒng)結(jié)合串行通信接口，把數(shù)據(jù)送往上位機PC 端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示并在上位機界面上實現(xiàn)無線視屏監(jiān)控，并且不需要無線路由器構(gòu)建的局域網(wǎng)環(huán)境進行通訊，擺脫了傳統(tǒng)有線傳輸?shù)氖`，實現(xiàn)了無線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和人機互動功能。

系統(tǒng)流程圖：（如圖2）

4 上位機

采用QT 對上位機進行開發(fā)，通過串口讀取數(shù)據(jù)。由于使用的是串口透傳模塊進行單片機與PC 端的通信，所以只需要區(qū)分每段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型即可。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如下：printf("<%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d,%d>",nrfSendData.bytes.heartRate,

nrfSendData.bytes.stepNum,

nrfSendData.bytes.tempture,

nrfSendData.bytes.adsData[0],nrfSendData.bytes.adsData[1],

nrfSendData.bytes.adsData[2],

nrfSendData.bytes.adsData[3],

nrfSendData.bytes.adsData[4],

nrfSendData.bytes.adsData[5]);

一個數(shù)據(jù)包有32Byte 的大小，傳輸順序按照心率、步數(shù)、溫度、和ECG，大小分別為2Byte、2Byte、4Byte 以及24Byte。當數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C后，PC 端上位機按照傳輸方式提取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進制顯示到QT 編寫的頁面中。

5 測量結(jié)果

5.1 測試數(shù)據(jù)

距離顯示：（如表1）

溫度顯示：（如表2）

心率顯示：（如表3）

5.2 測試結(jié)論

（1）心率精度高，誤差不超過1%；

（2）溫度精度受基準電源影響，在±2℃內(nèi)；

（3）距離顯示受擺動加速度影響，誤差不大于10%；

在完成簡易穿戴和低功耗要求前提下，保證了低延遲的傳輸。同時完成了人體運動的監(jiān)測、體溫和心率的實時顯示，已達到測試要求。