基于STM32的無線心率實時監(jiān)測裝置

丁瑩芝，畢凌志

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著生活水平的提高，人們對健康服務(wù)的需求不僅僅限于醫(yī)療救治，更重要的是健康管理與日常監(jiān)護(hù)。社會基層每年也會開展各種各樣的體檢，對于疾病能夠早預(yù)防、早發(fā)現(xiàn)。伴隨著生活節(jié)奏的加快，每年一次的體檢已經(jīng)不能滿足各行各業(yè)人員的需要，頻繁的去醫(yī)院進(jìn)行體檢也是不現(xiàn)實的。而心率是很重要的一個人體生理參數(shù)，它反應(yīng)人體心臟的健康狀況。對于心腦血管疾病患者來說，采取長期連續(xù)檢測心率的方法，建立預(yù)防疾病發(fā)生的防線，可很大程度上減少疾病的發(fā)病率。臨床上所用的監(jiān)測設(shè)備，雖然能夠同時監(jiān)測心率、血壓等生理特征，但其為有線儀器，不僅影響到個人的正常生活，而且費用高昂，不適合個人心率的實時監(jiān)測。

為了解決這個問題，本文設(shè)計了可穿戴式監(jiān)測疾病設(shè)備，只需讓待測者穿戴監(jiān)測設(shè)備，就能實時監(jiān)測待測者的身體狀況，而且該設(shè)備不會對身體產(chǎn)生任何的副作用。目前我國類似的健康監(jiān)測設(shè)備比較少見，所以開發(fā)一種可穿戴式心率實時監(jiān)測設(shè)備意義重大。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

心率實時監(jiān)測系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分，主要包括電源模塊、信號采集模塊、信號預(yù)處理模塊、STM32、nRF24L01、數(shù)據(jù)存儲模塊和LabVIEW上位機顯示模塊。其中MAX30102是心率和血氧傳感器，靈敏度高。STM32將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過無線通信發(fā)送給另一端的STM32進(jìn)行信號還原，將還原的信號通過串口通信上傳至Labview進(jìn)行心率的實時監(jiān)測。系統(tǒng)總體方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 心率實時監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

發(fā)射部分，利用MAX30102傳感器采集信號。考慮到信號可能會受到各種各樣的干擾，比如汗液、潮濕度、溫度等因素，因此信號預(yù)處理模塊先將接收到的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、濾波、放大等一系列處理。然后發(fā)送給微控制器STM32，STM32通過I2C通信來對傳感器進(jìn)行配置，控制其正常運行，通過訪問內(nèi)部FIFO來讀取反射光的光電轉(zhuǎn)換值，STM32微控制器中經(jīng)過提取算法計算得到參數(shù)，將數(shù)據(jù)保存在存儲模塊。再利用SPI通信把數(shù)據(jù)傳送給nRF24L01射頻模塊，利用無線通信的方法把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)射出去。

接收部分，nRF24L01射頻模塊接收到發(fā)射部分的數(shù)據(jù)后，通過SPI方式把接收到的信號輸入給STM32進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，然后在Labview上顯示出來。

2 硬件

2.1 主控芯片STM32F407

STM32F407系列高性能微控制器，能夠快速執(zhí)行程序，執(zhí)行效率高。功能強大，可進(jìn)行超快速數(shù)據(jù)傳送；設(shè)計靈活，多個I／O口，便于開發(fā)新的功能；資源充足，可滿足大內(nèi)存需求和大數(shù)據(jù)存儲。

2.2 MAX30102心率傳感器

從心電信號中提取心率數(shù)據(jù)和從壓力傳感器測到的波動來計算心率是可行的，但是這兩種方法在提取信號時都會限制病人的活動，長時間測量可能會造成病人的不適，而光電容積法是利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同來進(jìn)行血氧飽和度和脈搏的測量，使用的MAX30102傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕上來進(jìn)行測量，具有操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，是監(jiān)護(hù)測量中最普遍的方法。

MAX30102是一個生物傳感器模塊，具有集成的心率監(jiān)測儀和脈搏血氧儀。其光源來自對動脈血中的血紅蛋白和氧合血紅蛋白有選擇性的特定波長的發(fā)光二極管，由于動脈搏動使充血容積產(chǎn)生變化，當(dāng)光束透過人體外周血管時，光的透光率會也隨之改變，然后光電變換器接收經(jīng)人體反射的光線，并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枌⑵溥M(jìn)行放大、輸出。

2.3 nRF24L01射頻模塊

該模塊抗體積小巧，干擾能力強；能滿足多點通信和調(diào)頻通信需要，通信效果好；低功耗工作，待機模式下狀態(tài)為22μA，掉電模式下900nA；模塊可利用軟件設(shè)置地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，可直接與各種單片機連接使用，軟件編程方便。nRF24L01射頻模塊原理圖如圖2所示。

圖2 nRF24L01射頻模塊原理圖

2.4 串口通信模塊

在串口通信的方式中，RS232通信方式按位發(fā)送和接收字節(jié)，程序編寫簡單，硬件接口簡單，可以很方便的進(jìn)行程序調(diào)試，不需要借助其他外部硬件就可實現(xiàn)。

2.5 Labview上位機

Labview是一種程序開發(fā)環(huán)境，與其他計算機語言相比，Labview使用的是圖形化程序語言，以框圖的形式產(chǎn)生程序，而其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼。它具有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器，用戶可以根據(jù)自己需要定義和制造各種儀器，操作靈活。上位機通過接收主控芯片處理后的信號，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳至PC端，在PC端即可直觀的監(jiān)測心率。

3 軟件

心率實時監(jiān)測系統(tǒng)以Keil uVision5版本為集成開發(fā)環(huán)境，運用C語言編寫程序。主程序框圖如圖3所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊程序流程如圖4所示。

圖3 程序主框圖

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于STM32的無線心率實時監(jiān)測系統(tǒng)。為了提高該系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確度，提出兩大修改意見，一是引入溫度這一重要的參數(shù)，二是應(yīng)考慮患者在劇烈運動過程中對系統(tǒng)的干擾。在后面的改進(jìn)中，應(yīng)該貼切實際的環(huán)境，采用更加合適的處理方式，提高數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。