提高老人醫護安全的可穿戴心率測護儀設計

類 杰,孫玉柱, 從蘭美, 張安彩

(臨沂大學 自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276000)

0 引言

由于我國老人基數變大，導致我國已經提前進入老齡化階段，“空巢老人”的數量一直處于居高不下的狀態，多數老年人不能及時檢測到自己的身體狀況，在此之中，急性心梗又是老年人中常見的疾病之一，病人沒有明顯的發病特征，但是一旦發生意外，就有可能錯過了最及時的搶救時間，從而受到嚴重傷害，甚至喪失了生命。現在已經被證實，急性心梗后心率確實會發生心率失常的情況[1-5]。在此基礎上，我們依托心率變化情況對老人安全性進行研究。

本文設計一種老年人的實時監測系統，以易安卓4E和Keil5作為開發環境，結合心率心電采集模塊、體表溫度測量傳感器實現數據的采集，利用ESP8266進行手機與單片機的通信，將單片機采集的數據通過無線傳輸到手機客戶端APP中，并且實現數據的顯示與儲存功能，監護人可以查看歷史數據為老人制定更好的看護方案，大大減輕了監護人的壓力和節省了大量的看護時間。

1 系統結構及原理

考慮到心梗患者行動不方便、必須有家人陪護的需求。所以，研究心梗的預防或者發生意外時及時搶救避免損害是比治療更具現實意義[6]。本文設計一種可以遠程監測患有心梗疾病的老年人身體狀況的一種裝置[7]，心梗患者通過穿戴裝置，監護人查看APP以此達到實時查看的目的。以Arduino以及32位的STM32F103作為核心板，通過集成型心電、呼吸信號測量模塊實現心率、心電的實時檢測并且出現數據異常時，將報警信息發送到監護人應用端。

手機應用端APP模塊實現數據的接受與發送，可穿戴裝置與應用端APP之間通過ESP8266模塊連接進行數據的傳送，在應用端APP界面可以實時查看到心梗患者的心率、脈搏以及老人的體溫等信息[8-11]。可穿戴裝置的設計實現了實時檢測老人的身體狀況信息，進而減輕了監護人的壓力。

根據設計功能要求，綜合比較各種方案，最終確定系統的總體如圖1所示。系統由心電信息采集模塊、體溫采集模塊、單片機主控模塊、無線傳輸模塊、顯示模塊和服務器(手機)構成。心電信息采集模塊、體溫采集傳感器各自采集使用者的心電、體溫信息，把采集的電信號信息傳送到單片機主控模塊中進行數據處理，處理完成后單片機會通過無線傳輸模塊，將信息發送到服務器中，同時信息也將在顯示模塊中供使用者查看。

圖1 系統結構框圖

系統整體是一個數據的采集、處理、傳送和執行過程。數據的采集包括心電信息采集和體溫信息采集，兩個信息采集元件分別采用的是ADS1292模塊和LMT70模塊；而數據的傳送包括了利用ESP8266無線傳輸模塊將數據傳送至服務器和將數據傳送至OLED顯示終端。ADS1292心電數據采集模塊根據人體生物電流在不同部位產生的電微小電位，采用了3個電極進行捕捉，這3個電極兩兩組成一對進行測量，測量的微小電位差經過放大電路進行放大，傳輸到單片機進行處理，就可以得到心率和心電圖。LMT70溫度采集模塊利用模數轉換將人體表面的溫度轉換為一個微小的電壓，再利用數據手冊里的電氣特性溫度表所推算出的溫度傳遞函數，將微小的電壓轉換為人體表面溫度。ESP8266無線傳輸模塊使用STA工作模式的TCP透傳，將主控芯片中所要傳輸的數據傳送給服務器。

2 系統硬件設計

2.1 設計的技術主要參數指標

1) 心率范圍：安靜狀態下，成年人的正常心率為60～100次/分鐘，理想心率為55～70次/分鐘，心率的變化情況與心臟疾病密切存在著間接的聯系。如果心率值超出160次/分鐘，或者是低于40次/分鐘，這種情況大多見于心臟病患者。

2) 體表溫度范圍：以腋窩為測量位置，人體正常的體溫平均在36～37 ℃之間，如果溫度超出37 ℃可認定為是發熱，如果溫度在37.3～38 ℃則認為是低燒，38.1～40 ℃則認為是高燒。

3) ESP8266-WIFI傳輸速率與刷新率范圍：頻率范圍為2.412～2.484 GHz，保證數據在APP界面顯示中的刷新速率至少為一秒2次的實時動態數據刷新。

2.2 心電、心率采集模塊

本設計為可穿戴的裝置，所以在設計時盡量保證裝置的小巧化，本文選擇利用ADS1292來測量老年人的心率和繪制出心電圖。當心臟每次收縮，人體都會產生生物電流，并通過組織和體液傳導至體表，由于傳導所需的時間不同，所以身體的不同部位會產生不同的電位，從而形成了體表的電位差。ADS1292模塊中每一個通道都具有靈活的輸入多路復用器，此多路復用器可獨立連接到內部形成信號，實現檢測的功能，模塊工作時的數據速率高達8 ksps。本設計中ADS1292模塊心電測量方法是：身體體表微小的電位差通過3個電極進行捕捉，這3個電極兩兩組成一對進行測量。每個電極對的輸出信號稱為一組導聯，并經過ADS1292模塊電路中的放大器放大，然后經過單片機處理后形成心電圖。根據心電圖測出PP間隙或者RR間隙時間，60除以這個數值也可以得到心率信息。 ADS1292電路如圖2 所示。

圖2 ADS1292電路圖

圖2中，RESP_MODP，RESP_MODN可以輸出調制頻率，由于醫療產品在標準中存在漏電流的限制，所以用R44來限制電流輸出，C50、C48、C51限制直流電流留到人體，避免對老人身體造成傷害。

設計心電、心率采集裝置的原理框圖如圖3所示，模塊具有兩個低噪聲可編程增益放大器(P1、P2)和和兩個高分別率模數轉換器(ADC1、ADC2)，集成了心電采集所需要的部件，方便本設計的小巧化，另外此模塊功耗極低，實現了可長時間監護的要求。

圖3 ADS1292原理框圖

ADS1292內置雙通道信號采集和數模轉換，通道一(1N1N和1N1P)為呼吸信號采集通道，通道二(1N2N和1N2P)為心電信號信號采集通道。圖中部分電路1是呼吸檢測的濾波電路；圖中部分電路2是右腿驅動電路[12]。

2.3 體表溫度測量模塊

為了能有效地、全方位地監測老年人的身體情況，切實記錄老年人的信息，本設計還加入了體表溫度測量模塊，為能夠精確獲取老年人的體表溫度，本文選取了精度為±0.05 ℃的LMT70，其精度與溫度之間的關系如圖4所示。

圖4 傳感器精度與溫度關系圖

LMT70在20～42 ℃之間、芯片的供電電壓為2.7 V時，測量的誤差僅為±0.05 ℃。由于掌心溫度在30～35 ℃之間，利用數據手冊中的電氣特性溫度查詢表，推算得出了在30～40 ℃之間的一階溫度傳遞函數。推算過程如下：

斜率k計算公式: 與Y軸的截距b計算公式：

(1)

b=T1-k·VTAO(T1)

(2)

可根據電氣特性溫度查詢表所得，通過上述公式計算可得k為-0.192 ℃/mV,b為211.100 ℃。

最終30～40 ℃之間的溫度傳遞函數為：

TM=k·VTAO+b

(3)

TM=-0.192 ℃/mV·VTAO+211.100 ℃

(4)

式中,VTAO是單片機采樣得到的電壓,VTAO的單位為mV,TM的單位為℃。

溫度傳感器通過STM32的P3.1口采集得到電壓，利用公式(4)就可以得到接觸者的溫度，溫度傳感器具體的原理如圖5所示。

圖5 溫度傳感器原理圖

LMT70主要由輸出開關(T_ON)、放大器、溫度傳感元件(thermal diodes)組成。LMT70溫度傳感元件由BJT基極發射極連接而成的，其在連接到輸出開關之前，中間連接著一個放大器，LMT70 信號采集如圖6所示。

圖6 LMT70信號采集框圖

當單片機給輸出開關(T_ON)一個開始信號，溫度傳感元件就會將人體溫度轉化為一個電信號，電信號經放大器放大，通過溫度模擬輸出端(TAO)輸送到單片機。

本裝置一共有放置1個LMT70，當使用時，僅僅將手靠近測量儀器，溫度傳感器經過AD轉換將模擬量變為數字量，得到最后的電壓值，利用公式得出老年人的溫度測量值，不僅可以顯示在OLED中供老年人觀看，也可以將數據傳輸到監護人手機APP界面中[13]。監護人可以通過按鍵設置溫度的閾值，當超出所設置的閾值時，單片機就會立刻通過客戶端APP采取報警措施。

2.4 無線傳輸模塊

ESP8266-WIFI 模塊支持STA/AP/STA+AP 3種工作模式，本設計使用的是STA工作模式的TCP Client透傳。其過程是：配置WIFI模塊為STA工作模式，讓WIFI 模塊連接路由器或者手機、筆記本發出的WIFI，然后設置服務器與WIFI模塊的IP地址一致，這時主控系統串口發送的數據就可以經過WIFI模塊傳輸到服務器，這就實現了TCP透傳。ESP8266-WIFI 模塊原理如圖7所示。

圖7 ESP8266-WIFI 模塊電路圖

3 系統軟件設計

3.1 程序設計

由于心梗患者需要細心地照看，需要時刻地去監測其身體狀況，保證在突發緊急情況下，能在最短的時間下采取緊急救治措施。

首先，在測量部分，將極性貼片貼在使用者身體上，佩戴好體表溫度測量模塊，啟動裝置后，整個裝置由12 V的移動電池轉5V電源供電，單片機開始執行主函數的程序，各個模塊進行初始化操作。溫度傳感器通過12位的AD轉換，單片機根據測量得到的電壓值與溫度的公式便可以得到溫度數據，ADS1292模塊得出的心率值傳送到單片機內部，并且保存數據，做到掉電不丟失數據，OLED顯示屏顯示出老人的心率、體表溫度，并且保持數據信息實時動態刷新，數據通過WIFI模塊建立TCP協議將數據傳送到服務器中，將所得到的數據顯示在手機APP界面上。本部分的實現方案如圖8所示[14]。

圖8 實現方案

其次，在邏輯部分，多功能的心率測護儀在單片機中將累加器和數據寄存器傳送過來的數據進行簡單的邏輯判斷。

最后，在執行部分，當心率不齊或者心率突然劇烈變化時，可穿戴裝置立即通過發送報警信息至監護人[15]。

使用STM32單片機主控模塊作為軟硬件系統的主控制中樞,它不但需要完成有線、無線通信，而且還需要利用其本身的運算能力對數據進行大數據分析[16]。

整個系統由單片機控制部分、檢測部分、顯示部分、傳輸部分4部分組成。經測試該系統能精確地保證可穿戴裝置的各項要求，并且操作簡單，顯示穩定，檢測速度快、穩定性高。

本設計的程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程圖

3.2 智能手機APP設計

智能APP是通過WIFI模塊與可穿戴裝置形成信息交流的，在搭建好系統后，采集到的心率、脈搏以及溫度數據一次傳送一串數據，通過分隔符在APP中將這些數據進行區分，得到各項數據的真實值，并建立兩個歷史數據包，從串口接收到的數據其長度值是轉換為十六進制且從數組的第9位開始進行存儲，直到在存儲時遇見字符標識號截止。故開始先從原始數據的第九位開始去獲取本次數據的長度,再從字符標識號之后開始取實際數據，將數據儲存在數據包中，以此便于監護者查看歷史數據[17]。

測試過程首先使用SKX-2000C心電模擬儀/心電信號發生，在心電模擬儀界面通過按鍵指令選擇模式一下的模擬心率為76BPM，且將可穿戴心率測護儀上電啟動投入工作。可穿戴心率測護儀裝置整體外觀如圖10所示。

圖10 設備工作圖

數據采集端與安卓軟件APP本地監測，并在終端服務器手機界面上顯示，其區別于采集端藍牙傳輸的數據，此方法為遠端APP是從網絡數據庫查詢采集端所檢測的數據信息進行遠程監測，實現了裝置使用者的檢測數據的遠程傳輸和跨設備共享等功能[18]。智能APP將采集到數據不僅實時顯示出來，而且將檢測的數據繪制成曲線形式，供其他人員進行數據分析并根據心率數據曲線、心電圖提出對使用者的身體狀況的改善措施。

在智能APP端顯示界面如圖11所示。

圖11 APP界面圖

3.3 硬件抑制干擾措施

在裝置運行時，可能會出現一些干擾源。電源帶來的干擾，是干擾中最主要和最嚴重的干擾，對于這類干擾，設計時，可以用兩個100 μH的電感和0.1 μF的電容組成電源濾波器，即可以抑制一些高頻信號造成的干擾；其次，信號傳輸通道也造成I/O口信號異常，導致測量的數據不夠準確，使其精度、靈敏度大大地降低，可以對設備的關鍵部件，比如測量放大器及A/D轉換器通過硬件在線冗余設計來實現避免干擾的影響；最后，周邊環境的電磁干擾、靜電感應干擾等干擾都會對設備的檢測存在較大的誤差，可以完善設備的接地系統以此消除電磁波等帶來的影響[19]。

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案

為驗證可穿戴裝置設計的穩定性與測量結果的準確性，本文先使用心電信號模擬器在不同心率下對心電采集模塊進行測試，在確認本設計的測量結果準確無誤后，再對人體進行測量；對于溫度采集模塊的測試，試驗選擇5人，分別用標準體溫計與此模塊進行掌心溫度的測量，系統記錄結果與人工記錄結果進行對比分析。

4.2 測試結果完整性

4.2.1 心電采集模塊的測試結果

心電信號模擬器設置心率與系統測得心率如表1所示。

表1 心率信號模擬器與設備檢測心率對比表

4.2.2 溫度采集模塊的測試結果

標準體溫計測量溫度與體溫采集模塊掌心測量溫度結果如表2所示。

表2 體溫采集模塊與設備檢測溫度對比表

4.3 測試結果分析

在上位機中，心電信號采集得到的心電圖如圖12所示。

圖12 未加入濾波處理的心電圖

由圖12可見，心電圖不清晰，經過分析后得出原因是：由于心電信號非常微小，所以心電信號極易受到來自外界、人體自身以及電路的干擾，并且工頻(50 Hz)是心電信號的主要干擾，所以需要在系統中進行心電信號去噪處理。

現在常用的心電信號去噪方法是硬件降噪和軟件濾波兩種。硬件降噪主要是通過搭建相應的電路來實現濾波功能，但是硬件濾波電路不但搭建調試難度大，還增加了成本、體積和系統的功耗。所以本文采用的是軟件濾波的處理方法，采用經典卡爾曼濾波理論對信號進行濾波處理[20-21]。卡爾曼濾波的算法流程如圖13所示。

圖13 卡爾曼濾波算法流程圖

加入電信號去噪濾波算法后測得的心電圖如圖14所示。 圖中橫坐標為檢測時間，縱坐標為電壓，橫坐標的每一小格為0.04 s，縱坐標的每一小格為0.1 mV。

圖14 加入濾波處理的心電圖

由圖12、圖14的結果對比可以看出，所設計的軟件濾波算法取得了較好的濾波效果，大大提高了測量的精度。

5 實際應用測試

5.1 實驗方案

為驗證本設計在實際情況下的有效性，我們以某心率帶測得的心率作為對照來驗證本設計心率采集的準確性；利用體溫計測量的溫度驗證本設計溫度的準確性。

選取了6名老人志愿者，每隔三分鐘分別用本設計和心率帶、體溫計測量老人的心率、體溫，共測10組，取每組的平均值。

5.2 實驗結果及分析

6名志愿者的測量數據如表3所示，同時，我們繪制出設計量心率、溫度偏差曲線關系如圖15所示。

表3 設計參數實驗偏差表

圖15 設計參數實驗偏差圖

根據圖中數據我們可以明顯地看出本設計與對照值的誤差很小，心率偏差保持在區間[-0.2,0.2]之內，由于誤差百分比為(精確值-估計值)/精確值×100%，那么對數據進行誤差計算得到心率誤差Error(1)=-0.047 081，那么準確率達到0.952 919 021，體溫偏差保持在區間[-0.13,0.14]區間之內，那么對數據進行誤差計算得到體表溫度Error(2)=-0.000 632 511，那么準確率達到0.999 367 489。

在此實驗中，每人10組取平均值的情況下獲取得到的數據量為60組數據，數據容量大，充分表明了本設計測量數據的準確性，確定了本文所提出并設計的設備與實際情況十分吻合，也證明了本設計在實際情況下的有效性。

6 結束語

本系統以STM32F103為控制核心，可準確地實現對使用者的信息采集，并有無線上網功能。系統啟動后會實時采集使用者心電、體溫等信息，經控制核心處理后發送到服務器中，服務器會不斷更新使用者的各項信息，達到不間斷檢測功能。實驗效果符合預期設計要求。