基于物聯網技術的心電監護儀設計

錢涵舟，馮辰宇，石壘壘，譚睿，馮月芹

（南京工程學院 信息與通信工程學院，江蘇南京，211167）

0 引言

當今社會正迅速發展，人們工作節奏較快，壓力也越來越大，導致到了一定年紀后心臟病發作比例越來越高；由于某些心臟疾病存在突發性的因素，醫院的繁瑣醫療程序與高成本的醫療檢查并不能滿足許多有潛在心臟病患者的需求，所以促使了便攜性家庭形式的醫療產品迅速發展，家庭式的心電監護儀器就是其中一種；患者可以在家中進行心電監護。

本文的研究目的是設計家用便攜式無線數據傳輸心電監護儀中的兩個基本部分：心電信號采集系統和NB-IOT無線數據傳輸系統，為設計能夠應用物聯網進行遠程監護的家用心電監護儀提供良好的硬件平臺。心電信號采集模塊采用STM32F407微處理器作為控制單元，采用ADS1292R心電采集芯片實現心電信號進行放大，濾波，模數轉換。NBIOT無線數據傳輸模塊通過微處理器STM32F407與NBIOT模塊硬件接口部分，實現數據的無線發送；數據發送到云端服務器。用戶可以通過個人家用計算機訪問網頁或者用微信小程序來實現心電信號的重現，以及心臟健康狀態。

1 系統總體設計

數據采集終端設備以STM32F407為主控制器，采用中國電信物聯網模塊NB-IOT模組作為無線通信模塊，主控制器控制生理參數采集傳感器，對人體的心電信號，體溫等進行數據采集，將采集到的數據通過單片機串口傳輸到無線收發NB-IOT模組，再由NB-IOT模組發送到基站，最后由基站傳送到云服務器，數據存儲在云服務器，用戶使用客戶端軟件或微信小程序來查看數據。系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

2 硬件總體設計

■2.1 NB-IOT通信模塊

無線通信模塊采用BC20，它是一款高性能、低功耗、多頻段、支持GNSS定位功能的NB-IoT無線通信模塊。其尺寸僅為18.7mm×16.0mm×2.1mm，滿足便攜式設備的要求。BC20兼容移遠通信GSM/GPRS/GNSS系列MC20模塊，BC20提供豐富的外部接口和協議棧，同時支持中國移動OneNET、中國電信IoT以及阿里云IoT等物聯網云平臺。

模組擁有2個串口端，分別為主串口端和調試串口端，調試串口通過TTL轉USB電平與電腦端連接，主串口端與STM32串口端進行連接。主串口端用以AT指令的傳送，支持的波特率為9600、115200。調試串口端僅用作軟件調試，調試波特率配置為9600bps。

■2.2 生理特征采集單元電路實現

心電、體溫是反映人體健康狀況的重要參數，對心電、體溫進行長期準確的測量與監護能夠為預防和診斷疾病起到至關重要的作用，特別是獨居老人或有心臟病的人來說，預防更為重要。

2.2.1 心電信號監測模塊

心電信號檢測模塊采用TI公司的ADS1292R芯片完成；ADS1292R的特征如下： ADS129X是低功耗、多通道、同時采樣、具有集成可編程放大器（PGA）的24位delta-sigma（ΔΣ）模擬－數字轉換器。每個PGA前面有個EMI濾波器，可以抑制電磁干擾，減少噪聲。這些設備包含各種不同的心電圖的特定功能，使它們非常適用于可擴展的心電圖（ECG），腦電圖（EEG）和肌電圖（EMG）的應用。通過關閉適用于心電圖的特定功能電路，這些設備也可用于高性能多通道數據采集系統中。ADS1292R提供兩種不同的器件時鐘方法：內部和外部，內部時鐘非常適合低功耗、電池供電系統。

有2路差分輸入，減少共模干擾，IN1P， IN1N是通道1組，可用于呼吸測量；IN2P，IN2N是通道2，可用于采集心電信號，ADS1292R 內部右腿驅動電路選擇通信號加載在人體上，從而降低共模干擾。從TI的資料可以知道，引腳RESP_MODP，RESP_MODN是 輸出調制頻率的，其頻率可設置為32KHz或者64kHz，與31腳32腳相連的電阻R11和R12是限制電流輸出的，因為作為醫療產品在標準上是有漏電流的限制。C19～C24電容都是限制直流留到人體，防止對人體造成傷害的。ADS1292R的呼吸通道是通道1，要注意，測量呼吸時，PGA1P,PGA1N引腳接的濾波電容為47nF，測量心電圖時4.7nF即可。

ADS129X有一個高度可編程多路復用器，可用于溫度、供電、輸入短路和RLD（右腿驅動）測量。此外，該多路復用器允許任何輸入電極被編程為患者參考驅動器。PGA增益從7個設置中選擇：1、2、3、4、6、8或12。使用SPI兼容的接口與設備通信。硬件連接圖如圖2所示。由于篇幅限制，這里僅畫出三導聯與ADS1292R的電路連接圖。詳細原理圖可以參考ADS1292R芯片數據手冊。

圖2 ADS1292R模塊與三導聯的電路原理圖

2.2.2 人體體表溫度的測量

人體溫度監測模塊采用TI公司的LMT70溫度傳感器與ADS1115 AD轉換實現。LMT70是一款超小型、高精度、低功耗CMOS模擬溫度傳感器，具有輸出使能引腳。LMT70在溫度感測方面應用廣泛，例如物聯網（IOT）傳感器節點、醫用溫度計、高精度儀器儀表和電池供電設備。其特點是精度高，功耗低。

ADS1115是具有16位分辨率的高精度模數轉換器 (ADC)，采用超小型的無引線 QFN-10 封裝或 MSOP-10 封裝， ADS1115 具有一個板上基準和振蕩器。 數據通過一個 I2C 兼容型串行接口進行傳輸； ADS1115 具有一個板上可編程增益放大器 (PGA)，該 PGA 可提供從電源電壓到低至 ±256mV 的輸入范圍，因而使得能夠以高分辨率來測量大信號和小信號。 ADS1115 可工作于連續轉換模式或單觸發模式，后者在一個轉換完成之后將自動斷電，從而極大地降低了空閑狀態下的電流消耗。這些低功耗的特征，適合電池供電的便攜式設備。數字型AD轉換方便了數據的讀取，I2C總線接口節約了芯片的引腳，易于開發。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 體溫測量原理圖

3 系統軟件設計

系統的軟件包括下位機數據采集程序與客戶端應用程序，下位機負責傳感器的控制采集與數據傳輸，客戶端對下位機的數據進行接收與處理、顯示。

■3.1 NB-IOT遠程傳輸

BC20采 用MQTT 協 議 接 入 ONENET 平 臺， 進 入ONENET 平臺后，就可以進入到平臺端了。第一次使用需要注冊，現在一般都是實名制要求，用戶注冊的時候，按照模塊操作說明，來進行注冊，當注冊好，設備會顯示離線，這時只要單片機端控制模塊發送數據到ONENET平臺進行激活就可以了。

設備接入步驟如圖4所示。

圖4 onenet接入流程

■3.2 終端數據采集軟件設計

數據采集程序由初始化程序，傳感器控制程序，與NBIOT模組串口通信程序等組成。監測模塊上電之后先進行初始化，保證串口通信正常。先由控制器向NB-IOT模組發送AT指令，通過NB-IOT模組的應答信息判斷模組是否正常連接NB-IOT網絡。在完成正常接入網絡之后，通過LCD顯示程序主要功能操作說明，通過按鍵來選擇需要開啟的傳感器，主控芯片將傳感器采集到的數據通過串口發送給NBIOT模組，同時也將數據經過處理在顯示屏上顯示。單元模塊溫度采集ADS1115操作流程：

（1）初始化配置寄存器

①寫入器件地址0x90（從機地址）

②寫入0x01（配置寄存器地址）

③寫入高字節（配置寄存器的高8位）

④寫入低字節（配置寄存器的低8位）

（2）配置轉換寄存器

①寫入0x90（從機地址）

②寫入0x00（轉換寄存器地址）

（3）讀取轉換結果

①寫入0x91（從機地址）

②讀轉換結果高字節

③讀轉換結果低字節

ADS1115與主機通信，采用的是IIC總線協議，它的初始化、讀數據C語言程序如下：

unsigned chr ADS1115_Init( )

{ IIC_Start();//啟動

IIC_Send_Byte(0x90); //發送器件地址

IIC_Wait_Ack();//等待應答

IIC_Send_Byte(0x01); //寫配置寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//等待應答

IIC_Send_Byte(0xB3);//寫配置寄存器數據高8位，模擬信號從通道0單端輸入，兩成4.096V

IIC_Wait_Ack(); //等待從機應答

IIC_Send_Byte(0x83); //寫配置寄存器數據低8位，單次轉換，轉換速率128SPS

IIC_Wait_Ack();

IIC_Stop();

delay_us(20);//延時

return 1;}

根據ADS1115工作時序圖，寫出ADS1115讀數據的函數如下：

float ADS1115_ReadAD(void)

{float ret;

unsigned int data;

IIC_Start(); //主機發送啟動信號

IIC_Send_Byte(0x90);//ads1115器件寫地址

IIC_Wait_Ack();

IIC_Send_Byte(0x00);//寫轉換結果寄存器地址

IIC_Wait_Ack();//從機應答

IIC_Stop();

IIC_Start();

IIC_Send_Byte(0x91);//寫讀器件地址

IIC_Wait_Ack();

data=IIC_Read_Byte(1);

master_Ack();//主機發送應答信號

data=(data＜＜8)+IIC_Read_Byte(1);

master_Ack();//主機發送應答信號IIC_Stop();

//數值計算取決于PGA配置

if(data＞0x8000)

ret=((float)(0xffff-data)/32768.0)*4.096;

else

ret=((float)data/32768.0)*4.096;

return ret;

}

單元模塊心率采集ADS1292R軟件配置寄存器初始化有關寄存器：

①寫配置寄存器1=0x01，連續轉換模式，采樣率為250。

②寫配置寄存器2=0xa0，內部參考電壓為2.42V，禁止CLK引腳輸出信號。

③ 寫通道1設置寄存器=0x30，設置增益為3，正常節點輸入。

④寫通道2設置寄存器:0X40-正常操作，接電極，放大4倍

⑤右腿驅動寄存器RLD_SENS:0X2C-RLD緩沖使能，RLD接入2N,2P，PGA16分頻

⑥ 寫呼吸控制寄存器1=0xF2，使能呼吸調制解調電路，呼吸解調相位為135°，時鐘為32kHz，內部時鐘

⑦寫呼吸寄存器2:0X03-32K,RLD參考接（AVDD+AVSS)/2

⑧GPIO寄存器：0X0C-設置為輸入

⑨start引腳置高電平，AD采樣啟動

ADS1292R提供較為靈活的操作命令：

（1）系統命令：

WAKEUP喚醒待機模式-0x02

STANDBY進入待機模式-0x04

RESET 復位命令-0x06

（2）讀數據命令

RDATAC使能連續讀模式-0x10

SDATAC停止讀-0x11

（3）寄存器命令：

RREG讀寄存器命令-0x20

WREG寫寄存器命令-0x40

對ADS1292R的操作包括讀寄存器（器件的ID號）、寫寄存器（初始化寄存器）、讀數據、寫命令。

根據SPI通信協議，調用SPI寫庫函數，寫寄存器流程：

CS=0 ；//引腳片選信號低

SPI_I2S_SendData(SPI1,0x40|寄存器地址);

SPI_I2S_SendData(SPI1, 寄存器數量);

SPI_I2S_SendData(SPI1寄存器數據);

寫命令操作流程：

START=0；//引腳start低電平

CS=0 ； //引腳片選信號低

SPI_I2S_SendData(SPI1, SPI操作命令);

START=1；//引腳start高電平

CS=1 ； //引腳片選信號高

ADS1292R輸出數據格式時序如圖5所示。

圖5 ADS1292R輸出數據時序圖

當18腳片選信號CS低電平，啟動ADS1292R轉換，22引腳DRDY低電平時，數據轉換完成，讀21腳DOUT輸出信號，共讀取9個字節，其中前3個字節是有關狀態數據，后面6個字節分別是通道一3個字節呼吸信號，通道二3個字節心電信號。

ADS1292R與主機通信采用的同步串行總線SPI協議，需要注意的就是讀寫寄存器時，SPI的時鐘頻率不能太快，不能超過芯片內部時鐘的2倍。如果使用芯片內部時鐘的話就是512K，SPI時鐘不能超過1M，如果使用外部的2.048M時鐘的話，那么SPI的速度不能超過4.096M。讀寫寄存器時SPI的速度太快會造成讀寫不正常。

■3.3 用戶終端監測軟件

使用QT軟件進行終端人機交互界面的開發，容易開發具有良好的圖形用戶界面。終端應用軟件通過監聽端口訪問遠程服務器讀取心電、溫度信號，利用C++編程語言實現心電信號，溫度數據的動態顯示、回放，存儲以及異常的分析報警。用戶界面包括用戶登錄，數據顯示，遠程控制等操作軟件可以從數據庫中調取最近一周的數據，通過軟件處理使數據可視化，觀察心率，心電圖，體溫在一段時間內的變化趨勢。

4 結語

設計系統基于NB-IOT傳輸，終端設備通過移動OneNet平臺方便快捷連入互聯網，實現遠程監測數據變化。測試結果表明，該系統操作簡單，通信準確可靠，便捷的使用極其適合中老年人，具有一定的應用前景。