基于無線運動傳感器節點的人體運動狀態監測裝置設計

胡鈺寬，孫唯證

（湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411100）

目前，由于無線傳感器節點的資源有限，大部分計算機和通信依靠傳感器之間的網絡資源管理，并結合協同信息處理來自不同傳感器的節點數據[1]。雖然各種數據融合方案和技術已被提出，但跟蹤精度仍然是由于人類高機動性而受到限制的目標。

本文通過采用STM32F103 單片機設計一個無線運動傳感器節點，制作了一種人體運動狀態監測裝置，本裝置能夠將人體的心電信號、運動信息和體溫值在電腦上位機上顯示出來，并且可以把誤差控制在5%以內。

1 系統方案概述

本文采用LMT70 傳感器采集人體溫度信號，ADS1292 對傳來的心電信號進行增益放大和數模轉換，姿態傳感器MPU6050 對人體運動信息進行監測，給STM32 單片機輸入溫度模擬信號、心電數字信號和運動加速度量，STM32 單片機通過分析和記錄，將運算后的數據通過藍牙傳輸給上位機顯示，其方案硬件框見圖1。

圖1 硬件框圖

2 系統理論分析與計算

2.1 心電測量方法

心率為每分鐘內出現的心動周期次數，其單位為：次/min，可縮寫為bmp，其測量心率的常用方法有兩種。

2.1.1 測量6 s 內P 波或QRS 波群出現的數目

在心電圖上，以P 波或QRS 波群起始部作為起點，測量至6 s 處作為終點，清點6 s 內（在紙速為25 mm/s 時，15 cm 為6 s） P 波或QRS 波群的數目，乘以10，即為每分鐘的心率。

2.1.2 測量R-R 間期

測量若干個R－R間期（一般要求至少測量5 個或5 個以上），計算其平均值，代表一個心臟激動周期的時間，為兩個R 峰的間隔，以s 為單位，則心率為60/（R－R 間期）。

2.2 體表溫度的計算

LMT70 傳感器的輸出特性曲線看起來是線性的[2-3]，實際上在它的溫度范圍內，根據需求有3 種計算方式。

1） 在20~30 ℃范圍內，輸出可以用線性函數來擬合：TM=-0.193×VTAO+212.009 ℃，VTAO的單位是mV，TM的單位是℃。

2） 在-55~150 ℃范圍內，二階的計算方式會獲得更加精確的效果，這個方法僅在極端溫度（-60 ℃） 時效果不好：TM=a（VTAO）2+b（VTAO）+c。

3） 在整個溫度范圍內，三階的溫度計算方式都會給出一個最精確的結果：TM=a（VTAO）3+b（VTAO）2+c（VTAO）+d。

2.3 運動量的統計

首先要明確，MPU6050 是一款姿態傳感器，使用它可以得到待測物體三軸的加速度和角速度。通過I2C 讀取到姿態傳感器MPU6050 的6 個數據后，再進行分析，人體每行走一步，水平方向會有加速度變化，重心也會下移，也就是豎直方向上有加速度變化，因此這時就會有z 軸和一個水平方向軸上的加速度發生較大變化，通過判斷兩個加速度變化的次數，從而判斷人體行走的步數。

3 電路與程序設計

3.1 電路設計

3.1.1 LMT70 阻抗匹配電路

使傳輸線的特性阻抗與所接負載阻抗的大小相等、相位相同，實現阻抗匹配，讓信號源或者傳輸線跟負載之間達到一種適合的搭配，以調整負載功率和抑制信號反射，其電路見圖2。

圖2 溫度檢測電路

3.1.2 ADS1292 心電檢測電路

呼吸檢測采用阻抗檢測的方法，輸入32 kHz（或者64 kHz） 高頻方波到人體，經過電路濾波以后，計算出兩片電極之間的阻抗變化大小。心電信號一般在100 Hz 以下，對于高頻的檢測呼吸的方波是可以通過ADS1292R 里面EMI 電路濾掉的。

右腿的驅動電路在這里有兩個大的作用，一是去除共模電壓，通過放大器反向放大之后輸入到人體；二是提供了一個電壓抬升，將測量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2 左右，保證了輸入電壓在芯片的最大檢測范圍之內，第88頁圖3 為心電檢測電路圖。

圖3 心電檢測電路

3.2 核心程序設計思路

本裝置的核心程序思路是通過USART 通道，將信息發送到自定義函數Len，然后測試步長，將傳感器信息發送到STM32 單片機，最后把單片機處理后的數據傳送到LED 屏，其核心程序如下。

void WriteRegister(unsigned int memoryAddress,

unsigned int Data)

{

unsigned int CrcData,i=0;

Sci_VarTx[0]=0x01;

Sci_VarTx[1]=0x06;

Sci_VarTx[2]=memoryAddress ＞＞8;Sci_VarTx[3]=memoryAddress&0xff;

Sci_VarTx[4]=Data ＞＞8;

Sci_VarTx[5]=Data&0xff;

CrcData=GetCRC16(Sci_VarTx,6);

Sci_VarTx[6]=CrcData ＞＞8;

Sci_VarTx[7]=CrcData&0xff;

USARTx_Send(USART2,Sci_VarTx,8);

Delay(70);

}

void USARTx_Send(USART_TypeDef*USARTx,u8

*Data,u8 Len)

{

u8 i=0;

for(i=0;i ＜Len;i++)

{

while(USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_TC)!=SET);

USART_SendData(USARTx,Data[i]);

}

}

4 系統測試與誤差分析

4.1 測試方法

采用心電發生儀發出準確的心電波形，觀察對比在上位機中所顯示波形中的各個波峰波谷特征，同時采用標準溫度計測量出體表溫度，和上位機中顯示的溫度進行比較，移動距離可以利用卷尺進行測量比較[4-5]。

4.2 測試結果

在不同條件下測試，其心電波形符合典型的正常心率波形（見第88頁圖4）。

圖4 心電波形

4.3 誤差分析

經過測試后，與實際結果對比（見第89頁表1、表2、表3）。實際溫度與測量溫度誤差百分比不超過4%；實際心率與測量心率誤差百分比不超過5.19%；實際步數與測量步數誤差百分比不超過5%，并且大部分誤差為0。說明本裝置自適應強，測試結果精準可靠。

表1 LMT70 實際溫度和測量溫度誤差

表2 實際心率和測量心率誤差

表3 實際步數和測量步數誤差

5 結束語

心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現，信號一般比較微弱，幅度在10 uV~5 mV，頻率為0.05~100.00 Hz，很容易受到外界干擾，如工頻干擾、肌電干擾、基線漂移、電極接觸干擾等，因此即使有右腿驅動電路能消除大部分共模干擾，仍然有些許誤差。距離由姿態傳感器MPU605 測量得的加速度二次積分而得，也只有當一次測距所用的時間分段足夠多時，積分所產生的誤差才能忽略不計，而實際應用時無法達到此情況，因此距離的誤差就產生了。