一種基于nRF52840的胸貼式生命體征信號采集裝置設計與實現

摘要：本研究設計并實現了一種基于nRF52840的胸貼式生命體征信號采集裝置，用于實時采集人體心電、呼吸和體溫信號。該裝置采用ADS1292R模擬前端采集心電和呼吸信號，使用MAX30208數字溫度傳感器采集體溫，并通過低功耗藍牙進行無線數據傳輸。實驗結果表明，心率和呼吸率測量的平均誤差分別為2.71%和2.68%，體溫監測的平均誤差為0.24%。該裝置體積小、功耗低、測量精度高，適用于長時間、遠距離的體征信號監測，在家庭健康監護、移動醫療和智慧醫療領域具有潛在的應用價值。

關鍵詞：胸貼式傳感器；生命體征監測；心電；呼吸率；體溫；低功耗藍牙；nRF52840

中圖分類號TH77" " " 文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2025）12-0082-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

心血管類疾病在全球范圍內造成了巨大的疾病負擔，呼吸、心率和體溫是人體重要的生命體征信號，是臨床上診斷心血管類疾病的重要依據[1]。近年來，智能可穿戴醫療設備快速發展和普及[2]，該類設備逐漸在健康監測、疾病管理、康復訓練等領域應用[3]，為心血管疾病的早期診斷、實時監測以及事件預防提供了新的手段[4]，采用穿戴式設備對心電、呼吸和體溫進行檢測在醫療領域有重要現實意義。

目前，國內外學者對穿戴式心電[5]、呼吸[6]、血氧脈搏波[7]、血壓[8]、肌電[9]等的檢測開展了廣泛的研究，但大部分僅限于一個或兩個生理參數的同時檢測。針對移動醫療領域對個人健康監護設備多參數、小型化、低功耗的需求，本文以低功耗藍牙SOC nFR52840作為處理器，結合集成呼吸阻抗和ECG前端的低功耗模擬前端ADS1292R及低功耗、高精度數字溫度傳感器MAX30208，設計了一種胸貼式生命體征信號采集裝置進行心電、呼吸和體溫信號的采集、處理，通過無線傳輸將數據傳輸到手機端應用程序實時現實信號波形。與現有研究相比，整個系統具有測量生理參數多、體積小、功耗低的特點，且佩戴舒適便捷，在家庭健康監護、移動醫療和智慧醫療領域具有潛在的應用價值。

1 總體設計

系統總體架構圖如圖1所示，該裝置通過雙極胸導聯CM5方式[10]，利用心電呼吸采集芯片采集心電呼吸信號，體溫采集芯片采集體表溫度。nRF52840低功耗藍牙SOC控制心電呼吸和體溫信號采集芯片采集信號，并對采集的信號進行數據處理，通過藍牙發送到手機端App并顯示測量結果。

2 硬件設計

裝置的硬件系統框圖如圖２所示，包括心電、呼吸采集模塊、體溫采集模塊、處理器模塊、電源模塊、數據存儲模塊及按鍵和LED指示燈。電源模塊給各功能模塊供電，心電、呼吸采集模塊與nRF52840之間通過SPI方式進行通信，體溫采集模塊與nRF52840之間通過I2C方式進行通信，nRF52840與手機App之間通過藍牙進行通信。

2.1 主控模塊

主控模塊為nRF52840低功耗藍牙SOC及其外圍電路，其電路如圖３所示。nRF52840外接32MHz晶振，為整個系統提供時鐘信號，采用四線SWD模式進行程序下載和調試。該芯片主要對ADS1292R、MAX30208、W25Q128和按鍵指示電路進行控制。其外圍主要包括電源濾波電路、晶振電路和射頻前端電路。

2.2 心電呼吸采集模塊

心電呼吸采集模塊采用TI公司的ADS1292R采用兩導聯方式采集心電信號，圖4為心電呼吸采集電路。ADS1292R采用差分方式對心電和呼吸進行采集，ADSR_ERA和ADS_ELA接入兩個心電電極，心電信號進入IN2N和IN2P通道，經過放大和A/D轉換，變成3個字節的心電數字信號；呼吸信號被芯片內部信號發生器從IN3N和IN3P輸出的32KHz方波進行調制，然后進入IN1N和IN1P，經過放大、濾波和A/D轉換后變成3個字節的呼吸數字信號。心電信號與呼吸信號6個字節的數據，再加上由狀態位組成的3個字節幀頭，組成每幀9個字節的心電呼吸數字信號。每處理完一幀數據，向nRF52840發送請求，nRF52840響應請求后傳輸數據。

2.3 體溫采集模塊

溫度采集芯片采用Maxim Integrated 提供的一款專用于醫療保健貼片、可穿戴式體溫監測、人體數字測溫儀的I2C數字溫度傳感器MAX30208，具有16位分辨率（0.005°C）。nRF52840作為主機通過模擬I2C控制MAX30208讀取采集的體溫值。在30～50 °C時，精度為±0.1 °C；在0～70 °C時，精度為±0.15 °C，可在1.7～3.6 V電源電壓工作，工作電流為67 μA，使其成為一款低功耗、高精度的溫度傳感器，非常適合作為胸貼式生命體征信號采集裝置的溫度采集傳感器。nRF52840通過I2C接口與MAX30208連接，nRF52840作為主機提供I2C時許讀取MAX30208采集的溫度值。

2.4 電源模塊

電源模塊既要實現鋰電池充電功能，也要為采集模塊、處理器和Flash芯片提供3.3V電源。采用單節鋰電池和聚合物電池充電管理芯片BQ21040設計4.2V鋰電池充電電路，通過外部電阻編程設定充電電流，最高可達800mA，充電電壓精度可達1%，3.7V/500mAh的鋰電池充電時間大約1小時。采用兩顆SOT-23封裝的線性穩壓器TPS70933分別給ADS1292R和MAX30208、nRF52840、W25Q128供電，輸出電壓為3.3V，最大支持200mA的峰值輸出，靜態電流僅為1uA，適用于電池供電的低功耗應用場合，滿足胸貼式生命體征信號采集裝置便攜式、低功耗的應用需求。

3 軟件設計

在Keil開發環境下對nRF52840單片機進行編程，控制該芯片完成心電、呼吸、體溫信號的采集和處理，并進行數據傳輸。程序工作流程分別如圖5和圖6所示。

采集心電和呼吸信號時，首先，程序根據硬件系統配置和接口對nRF52840進行初始化設置，包括時鐘系統、I/O端口、中斷模式、定時器、通信接口等。之后由nRF52840為ADS1292R提供一個復位信號并啟動配置信息，通過軟件模擬SPI對其內部的配置寄存器賦值，設置ADS1292R采集心電呼吸信號的工作模式、轉換速率、采樣速率、增益、參考電壓、通道等。待ADS1292R配置好并將START引腳設置為高電平后，開啟中斷并發送連續讀命令RDATAC，ADS1292R開始數據轉換，轉換完成后，DRDY引腳置位。nRF52840通過捕獲DRDY引腳的中斷信號使能SPI通信，讀取ADS1292R輸出的心電呼吸數據幀。

采集體溫信號時，在完成初始化配置后，通過I2C通信配置MAX30208的寄存器。設置從機地址后，對MAX30208的TEMP_SENSOR_SETUP[0x14]寄存器中的CONVERT_T位寫“1”，啟動溫度測量，同時開啟nRF52840的定時器中斷，定時時間到讀取MAX30208的FIFO數據寄存器，并進體溫計算。

nRF52840將采集到的心電、呼吸和體溫數據通過藍牙發送到手機端App。數據傳輸協議如表1所示，包含幀頭、標志位、數據流、校驗位和結束位。數據流包括ADS1292R采集到的心電和呼吸數據以及MAX30208采集到的體溫數據。

4 實驗驗證

所設計的胸貼式體征信號采集裝置如圖7所示。手機端App測量結果如圖8所示。

裝置研制完成后，對其功耗和測量精度分別進行了實驗驗證。利用Keithley2231可編程直流電源進行功耗測量，利用直流電源對信號采集裝置進行供電，記錄直流電源的工作電壓、工作電流，計算功耗和500mAh鋰電池供電時的理論續航時間，結果見表2。

平均功耗為31.1mW，平均工作時長為16.2h，實際測試工作時間大于13小時。

將該裝置佩戴到身上，與監護儀測量的呼吸率、心率和體溫進行對比，體溫、呼吸率和心率測量結果見表3、表4和表5。

記錄測量數據，并計算絕對平均誤差，體溫測量的平均相對誤差為0.24%，呼吸率平均相對誤差為2.68%，心率的平均相對誤差為2.71%。

5 結論

本研究基于nRF52840藍牙Soc研發了一種胸貼式生命體征信號采集裝置，具備心電、呼吸和體溫信號采集功能，測量實時、操作簡單、待機時間長、測量精度較高，在個人健康監護、移動醫療等領域有廣闊的應用前景。系統在待機時長、佩戴舒適性、檢測精準性等方面有待提高，后續將進一步優化結構設計和算法，提升系統的應用性。

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【通聯編輯：梁書】