0 引言

　　近幾年來，隨著居民健康需求的日益提高，以及新技術、新材料和新型生物傳感器的不斷發(fā)展，針對不同體征信號開發(fā)的各類小型化、低成本、低功耗便攜式醫(yī)療設備大量涌現(xiàn),并逐漸受到不同人群的歡迎[1]。分立式血氧儀、心率計、體溫表、心電儀等便攜式產品在大中型城市家庭中逐漸應用普及。但當前集多種生理參數(shù)監(jiān)護功能于一體，同時兼顧可靠性、穩(wěn)定性、精確性、實時性、小型化、低成本和低功耗等特性，用于家庭實時長期的生理監(jiān)控及預警的便攜式體征參數(shù)監(jiān)護儀還有所缺乏[1]。因此，研究一款適合于普通家庭使用的多體征參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義及巨大的市場前景。基于上述考慮，本文設計了一款可實時測量心電、呼吸、血壓、血氧、脈率和體溫的多功能便攜式人體特征參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)。本系統(tǒng)是一款集家庭診斷與疾病指導、醫(yī)療保健為一體，并能為用戶同步保存生理參數(shù)信息的實時監(jiān)護系統(tǒng)，對數(shù)字化醫(yī)療和家居健康遠程信息系統(tǒng)的構建具有重要意義。

1 系統(tǒng)設計

　　本健康監(jiān)護系統(tǒng)由人體生理參數(shù)采集電路、STM32微控制電路和軟件濾波實現(xiàn)等部分組成，其中人體生理參數(shù)采集電路包含血氧、心電、呼吸、脈率、心率、體溫、血壓等采集模塊；微控制電路部分以STM32為控制核心，由電源管理模塊、人機交互按鍵模塊、藍牙4.0模塊、RS-232模塊、SD存儲模塊和LCD顯示模塊組成，系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。

　　人體生理參數(shù)采集電路通過外接傳感器探頭獲得原始信號，經硬件濾波、去噪、放大處理后，再通過A/D采集獲得心電、呼吸、脈率、血氧、體溫、血壓和心率等健康信息，并打包成固定格式的串口數(shù)據(jù)包，再通過STM32微控制電路將參數(shù)板所獲得的串口數(shù)據(jù)保存在SD卡中，同時STM32微控制電路板對所獲得的串口數(shù)據(jù)包進行解析，通過3.2英寸的LCD液晶屏實時顯示人體體征參數(shù)。當測量數(shù)據(jù)有異常時，通過警報模塊進行提醒，另外使用MAX3232將TTL電平轉換成RS232電平,再與PC的COM口連接，通過PC端上位機軟件實時動態(tài)顯示人體基本體征參數(shù)和波形。為了提高設備的適用范圍，本系統(tǒng)可通過藍牙BLE模塊和WiFi模塊與手機或PC進行無線連接。裝有相應APP軟件的設備即可實時動態(tài)顯示人體相關體征數(shù)據(jù)和波形。

　　1.1 人體生理參數(shù)采集電路

　　人體生理參數(shù)采集電路原理框如圖2所示。主要由JTAG下載接口電路、12 V供電電路、RS232/TTL電平轉換電路、電泵充放氣電路、4路傳感器驅動采集電路等組成，而傳感器采集電路主要由無創(chuàng)血壓NBP接口、血氧測量接口SpO2、心電ECG接頭、體溫探頭接口TEMP等4個傳感器接口組成人體生理采集電路的傳感器輸入端，分別獲得血壓、心電、血氧和體溫等原始信號后，再經過與之對應的測量模塊預處理后送給MCU。并采用免疫遺傳算法和多孔算法把心電電路采集到的數(shù)據(jù)進行濾波處理，并通過IIR濾波器對脈搏波進行數(shù)字濾波，再提取特征值，獲得人體的呼吸波和脈率等體征數(shù)據(jù)，然后通過基于卡爾曼濾波的多路數(shù)據(jù)融合估計算法得到呼吸率[2-3]，最后將獲得的體溫、脈率、呼吸、心電、血氧、血壓等信息打包成波特率為115200的固定格式串口數(shù)據(jù)包進行有線或無線傳輸。

　　1.2 基于STM32的外圍接口電路設計

　　STM32F103VCT6是意法半導體生產的一款32位高性能嵌入式微處理芯片，該芯片具有豐富的外設接口，2～3.6 V低電壓供電，多達80個標準IO口，且工作頻率可達72 MHz，內嵌高速Flash和RAM存儲器，同時具有3個SPI、2個I2C、2個I2S、3個USART、2個UART，并支持USB、SDIO、CAN總線接口，是專門為滿足高性能、低功耗、實時應用系統(tǒng)而設計的一款嵌入式微處理器[2-4]，且該芯片能很好地滿足本監(jiān)護系統(tǒng)的控制、傳輸、數(shù)據(jù)保存、顯示和報警功能?；谏鲜龅膬?yōu)點，本監(jiān)護系統(tǒng)采用STM32F103VCT6作為為微控制系統(tǒng)的核心處理器，STM32微控制器外圍接口電路如圖3所示。

　　1.2.1 電源管理模塊設計

　　電源管理模塊包括系統(tǒng)供電電路和電池充電電路。本系統(tǒng)采用12 V直流電源供電，通過LM2576S芯片獲得5 V電壓輸出，經AMS1117輸出3.3 V電壓為MCU提供電能，系統(tǒng)上電后進入待機低功耗模式，當按下開機鍵時，MCU通過檢測按鍵外部中斷的方式使Q1導通，繼電器K1閉合，經U3和U4電壓轉換后輸出3.3 V為外圍電路提供電壓。此外，本電路MCU自帶3 V鋁殼電池，在系統(tǒng)斷電后為系統(tǒng)提供RTC實時時鐘，同時通過12 V鋰電池為系統(tǒng)提供備用電源，在無外接電源接入時保障本系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示。

　　本監(jiān)護系統(tǒng)備用電池采用三節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的方式，總容量為3 700 mAh。其充放電管理電路采用PWM降壓型鋰離子電池充電管理芯片CN3703，該芯片具有恒流和恒壓兩種充電模式。為使電池能夠較快速地充電，本電路充電電流設定為400 mA，RCS選擇0.5 Ω；當電池電壓繼續(xù)上升接近恒壓充電電壓12.6 V時，充電器進入恒壓充電模式，此時充電電流逐漸減小。當充電電流減小到EOC管腳電阻設置的值時，DRV管腳輸出高電平，此時漏極開路輸出管腳內部的晶體管關斷，輸出為高阻態(tài)，充電結束。另外無輸入電源電壓輸入或者拔下直流輸入電源時，CN3703為減少電池的電流消耗，延長待機時間自動進入睡眠模式，此時MCU控制Q1導通，此時通過12 V鋰離子電池給整個系統(tǒng)供電。電池充電電路原理圖如圖5。

　　1.2.2 SD卡存儲模塊

　　當STM32微控制器系統(tǒng)通過串口獲得多參數(shù)采集電路的串口數(shù)據(jù)包時，STM32微控制器需要對SD卡進行寫操作，把獲得的人體多參數(shù)信息以TXT文本文件的形式記錄在SD卡中。為了節(jié)省STM32的引腳資源以及簡化電路設計，同時又滿足本系統(tǒng)6.5 kb/s的串口傳輸速率，本系統(tǒng)采用SPI方式對SD卡進行讀寫操作。另外，采用FAT32文件系統(tǒng)對SD卡進行訪問，一方面減輕了操作SD卡的工作量，另一方面只要調用其提供的函數(shù)便可方便地對文件進行讀寫刪改等操作[4]。

　　1.2.3 LCD液晶接口設計

　　本監(jiān)護系統(tǒng)采用3.2英寸320×240 HY32D-LCD液晶對監(jiān)護信息進行顯示，且采用FSMC模塊來控制液晶,能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，且FSMC訪問外部設備時序可編程，可把液晶屏當作外部存儲設備來使用，能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應的數(shù)據(jù)、地址、控制信號類型以匹配信號的速度，更好地滿足了監(jiān)護系統(tǒng)設計對LCD接口、產品體積以及成本的綜合要求。

　　1.2.4 藍牙4.0無線傳輸模塊

　　由于藍牙4.0具有低功耗、低成本、低延遲以及跨廠商互操作性等優(yōu)點，逐漸成為無線近距離低功耗傳輸?shù)氖走x，本文選用ITL2540低功耗藍牙模塊作為監(jiān)護系統(tǒng)的無線傳輸模塊，通過串口與STM32微控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)流傳輸。

　　1.2.5 WiFi無線傳輸模塊

　　本系統(tǒng)采用新力維公司生產的XLW002X作為無線傳輸WiFi模塊，該模塊集成了MCU，且符合802.11b/g、2.4G標準的無線射頻收發(fā)器、TCP/IP協(xié)議棧和應用程序，并且提供包括UART、SPI、I2C、I2S在內的豐富外部I/O接口，在本系統(tǒng)中采用UART進行串口數(shù)據(jù)傳輸。

2 基于STM32的濾波實現(xiàn)

　　在多生理參數(shù)采集系統(tǒng)的信號處理過程中，首先采用免疫遺傳算法和多孔算法對STM32采集到的心電、呼吸原始信號進行軟件濾波，并采用IIR濾波器對脈搏波進行數(shù)字濾波，再通過基于卡爾曼濾波的多路數(shù)據(jù)融合估計算法得到呼吸率。而在脈搏血氧信號的放大與檢測中，50 Hz工頻干擾、人體皮膚導致的空間電磁干擾及高頻雜波干擾尤為嚴重[5]，本監(jiān)護系統(tǒng)設計了整系數(shù)IIR數(shù)字濾波器，其數(shù)學模型如下：

　　Y(n)=2Y(n-1)-Y(n-2)+X(n)-2X(n-10)+X(n-20)

　　(1)

　　式中：X(n)表示濾波前的信號，Y(n)表示濾波后的信號。在脈搏容積波信號的處理中，采用9點平均的方法對其濾波，其濾波公式：

　　Y[n]=(X[n-4]+X[n-3]+…+X[n+2]+X[n+3]

　　+X[n+4])/9（2）

　　經實際應用驗證，上述方法可以對脈搏波進行有效濾波，為進一步對波形分析以及計算生理參數(shù)提供了理論依據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)采集到的心電波形計算出心率參數(shù)[6]，根據(jù)脈搏波形計算出血氧脈搏波和血氧飽和度等參數(shù)?？紤]系統(tǒng)實時性的要求并結合芯片的運算速度和串口數(shù)據(jù)包的傳輸速度，本設計采用閾值判別算法，并將心電、呼吸、血氧、脈率、血壓、體溫等生理參數(shù)以固定格式的串口數(shù)據(jù)包進行傳輸。

　　本系統(tǒng)在KEIL MDK平臺下開發(fā)，采取開串口中斷接收的方式，經過各種初始化處理之后，系統(tǒng)進入中斷函數(shù)，當STM32微控制器的USART2串口接收到串口數(shù)據(jù)時，微控制器將USART2串口數(shù)據(jù)進行轉發(fā)給USART3，同時將對轉發(fā)的串口數(shù)據(jù)包進行解析，然后在LCD液晶上進行顯示，并將解析得到的有用數(shù)據(jù)保存到帶有文件系統(tǒng)的SD卡中。

　　為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_可靠性，本健康監(jiān)護系統(tǒng)所傳輸?shù)拇跀?shù)據(jù)包由1字節(jié)包類型ID字節(jié)+N（N≤8）字節(jié)數(shù)據(jù)+1字節(jié)校驗和構成。串口包的最大長度為10個字節(jié)，其中數(shù)據(jù)部分的最大長度為8字節(jié)，由1個數(shù)據(jù)頭和N-1個數(shù)據(jù)構成。另外為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性，每個包的數(shù)據(jù)頭依次包含了數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位，并且，數(shù)據(jù)頭的最高位Bit7為0，且數(shù)據(jù)校驗和的最高位Bit7為1。串口數(shù)據(jù)包格式如表1。

3 系統(tǒng)功能測試

　　為了測試本便攜式多參數(shù)體征監(jiān)護系統(tǒng)的準確性、可靠性以及電路的功耗，本實驗選取兩款商用高精度便攜式多生理參數(shù)測量儀進行比較。在本系統(tǒng)測試實驗中，志愿者坐在椅子上，五導聯(lián)心電信號導聯(lián)線、脈搏血氧儀探頭（分別放在志愿者的3個手指頭上）和呼吸帶（綁在志愿者胸口）、血壓袖帶（均綁在右手上）、體溫探頭（3個體溫探頭均放在志愿者的腋下）被用來同時對志愿者進行多路生理體征參數(shù)信號進行采集，同時所有信號連接本監(jiān)護系統(tǒng)以及上述兩款商業(yè)多參數(shù)檢測儀，對其進行30 min的測量，每6 min記錄一次心電、呼吸、血氧、脈率、呼吸、體溫、血壓、電源電壓和電流的實時數(shù)據(jù)，相關測量數(shù)據(jù)如表2。其中，每款設備在30 min內各進行兩次標準袖壓測量。

　　從表2可知，本設計電路采用12 V電源供電，平均功率1 633.8 mW,均低于力康PC-3000監(jiān)護儀(2 533.4 mW)和貝瑞多參數(shù)測量儀(2 023.0 mW)，由此表明本電路功耗較低。同時本電路所測量的血氧飽和度、心電、呼吸、血氧、脈率、呼吸、體溫、血壓的平均值與力康PC-3000監(jiān)護儀、貝瑞多參數(shù)測量儀所測得的數(shù)據(jù)相比均無顯著性差異，表明本測量電路所測得的多人體生理體征參數(shù)具有較高的準確性。另外本多參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)可在LCD上實時顯示上述參數(shù)，且當檢測到人體特征參數(shù)數(shù)據(jù)異常時會發(fā)出報警。此外，本監(jiān)護系統(tǒng)還可以顯示導聯(lián)脫落狀態(tài)和系統(tǒng)當前時間，并能對解析的串口數(shù)據(jù)進行保存，同時也可以通過藍牙或WiFi與手機或PAD進行無線傳輸。為了盡可能地減小功耗，本監(jiān)護系統(tǒng)開機25 s若沒有任何操作便自動進入低功耗待機模式。另外，本系統(tǒng)通過STM32微控制系統(tǒng)將USART2接收到的串口數(shù)據(jù)包轉發(fā)給USART1，經MAX3232將電平轉換為RS232電平，再經串口線將串口數(shù)據(jù)包送給PC上位機。或者通過USART3經過藍牙或者WiFi與手機或PAD進行無線通信，并在裝有相應APP的手機或PAD上進行生理參數(shù)顯示，整個系統(tǒng)連接示意圖如圖1所示。本上位機使用C++語言，通過VisualStudio2008平臺編寫。

4 結束語

　　本文介紹了一種低功耗多生理參數(shù)測量與監(jiān)護的便攜式健康監(jiān)護系統(tǒng)，并制成了原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)與兩款不同商用設備進行對比，結果表明，本便攜式體征監(jiān)護系統(tǒng)可連續(xù)實時測量，且系統(tǒng)功耗較低，所測量的各項基本生理體征參數(shù)與兩款不同產品所測量的數(shù)據(jù)沒有明顯差異，且能在LCD上實時顯示，上位機軟件能動態(tài)地顯示波形和數(shù)據(jù)，同時可保存用戶所測量的健康信息，能為用戶健康管理數(shù)據(jù)庫的建立提供數(shù)據(jù)來源，可通過對用戶多次測量的數(shù)據(jù)進行分析來為用戶疾病的預防和治療提供較為準確的參考，同時也大大減少了用戶去醫(yī)院進行各項檢查帶來的麻煩和費用。本監(jiān)護系統(tǒng)采用模塊化的設計，功耗低，實現(xiàn)容易，在醫(yī)院、家庭、養(yǎng)老院、健身房等場所中使用該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時的、長期的、準確的生理參數(shù)測量及監(jiān)控，在便攜式設備開發(fā)及相關領域具有較好的應用前景。

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