一种简易可穿戴的人体健康监测设计
张峻豪 尹鑫 贡振琦 张文杰
摘 要 本次设计是基于Cortex-M3内核的信号采集与数据处理的系统以实现人体生理信号的实时监控。通过Agcl电极片采集到人体肢体导联电压波形，利用模拟预先抗混叠处理滤除奈奎斯特区间以外的频率，再经过模拟前端将信号放大1000倍，得到放大后的波形。利用STM32单片机实现IIR实时滤波消除50HZ的工频干扰与基线漂移，通过LMT70和MPU6050测得人体实时的体温和运动状态，再通过串口透传将数据传输到PC端上位机，PC端进行数据分析与信息反馈到电脑中，实现医生对病人的情况进行实时监控。
关键词 心电图 IIR滤波 健康监测 运动检测
中图分类号：R1 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2020）02-0024-04
1 研究目的
本设计达成了对人体心率、体温和运动状态的实时监控，通过无线传输将数据传输到上位机加以处理和显示。通过对单个方案的改进，来实现以下特点：
（1）具有低功耗和便携性，以方便长时间的穿戴。
（2）達到高精度的心率和温度测量，具有很好的抗干扰能力。
（3）实现低延时高功率的无线传输，已实现实时显示的目的。
2 实施方案
2.1 总体流程图（如图1）
2.2 电源设计方案
方案所需的温度采集芯片、心电信号采集芯片以及运动传感监测都需要3.3v的电压保障其正常工作，所以我们通过LM2596稳压芯片将12v的电池输入调节成稳定的3.3v输出电压，用来供给整个系统。
同时注意到由于本设计采用的温度采集芯片为TI公司的LMT70，其特点是高精度的16位AD采样。为避免LM2596产生的电压波动影响温度的精准性，需使用3.3v的基准电压给LMT70以实现温度补偿，达到测量人体体温高精度的目的。
2.3 模拟前端放大器
采用AgCl电极片，减小基线漂移。心电信号通过二级放大，放大倍数1000倍以上，第一级采用仪表放大器AD620进行放大，二级电路用LM358和OP07构成放大。通过ebyte串口透传，用于STM32与电脑串口通信，附加MPU6050用于测步和测距以及跌倒检测。心电部分采用右腿驱动，减小工频干扰。通过RC与运算放大器构成有源带通滤波器，0.3HZ-106Hz的频率可以通过。电源部分采用AMS11175.0V和7660s构成一对正负5的电压为运放供电。通过AMS11173.3V稳压到3.3V为STM32进行供电。[1]
2.4 单片机部分
2.4.1 主控单元选取
由于心电采集芯片使用了TI公司的ADS1292芯片，具有24位的高精度AD采样。STM32系列的单片机具有片内的AD转换器和多个外设接口，具有很好的扩展和移植性，因此适合完成IIR实施滤波和应用扩展。
2.4.2 配置关键的ads1292芯片的寄存器
ADS1292_REG[CONFIG1] =0x00;//连续转换模式
ADS1292_REG[CONFIG1] |=Ads1292_Config1.Data_Rate;// 设置采样率125HZ
ADS1292_REG[CONFIG2] =0x00;//设置测试信号
ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Pdb_Loff_Comp<<6;//是否脱落
ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Pdb_Refbuf<<5;//缓冲器是否掉电ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Vref<<4;//参考电压2.4v
ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Clk_EN<< 3;//时钟脉冲
ADS1292_REG[CONFIG2] |=Ads1292_Config2.Int_Test<< 1;//是否打开测试信号
ADS1292_REG[CONFIG2] |=0x81;//默认位
2.4.3 配置关键的MPU6050寄存器
MPU_Write_Byte（MPU_PWR_MGMT1_REG，0X80）;//复位MPU6050
MPU_Write_Byte（MPU_PWR_MGMT1_REG，0X00）;//唤醒MPU6050
MPU_Set_Gyro_Fsr（3）;//陀螺仪传感器，±2000dps
MPU_Set_Accel_Fsr（0）;//加速度传感器，±2g
MPU_Set_Rate（50）;//设置采样率50Hz
MPU_Write_Byte（MPU_INT_EN_REG，0X00）;//关闭所有中断
MPU_Write_Byte（MPU_USER_CTRL_REG，0X00）;//I2C主模式关闭
MPU_Write_Byte（MPU_FIFO_EN_REG，0X00）;//关闭FIFO
MPU_Write_Byte（MPU_INTBP_CFG_REG，0X80）;//INT引脚低电平有效
2.5 信号干扰
2.5.1 干扰来源
通常由于电源线产生的50hz的工频干扰以及被测对象人体产生的热噪声干扰。[2]
工频干扰多数是因为空间辐射、电源、电路与外界的接触所产生的50hz信号，一般采用屏蔽、滤波、使用差分信号（提高共模抑制）来减低其对信号的影响。人体干扰常见的是肌肉震颤，其产生是因为人体肌肉颤动所造成的噪声信号（寒冷导致的战栗以及紧张引起的肌肉抽搐）。
2.5.2 基于MATLB的数字陷波
用陷波器来过滤50hz信号，高通滤波器来过滤人体产生的0.5hz以下的频率干扰。通常在设计中使用IIR或FIR滤波器，其中FIR虽然具有良好的线性相位，但是其运算量和阶数都比IIR更大，因此无论是陷波器还是高通滤波都采用IIR来设计。[3]
借助MATLAB可以帮助我们快速的生成相关的参数。再将其翻译成c语音形式即可直接应用于单片机平台。
导出滤波系数得到转移函数：[4]
再根据滤波器直接II型实现框图，翻译成c语言代码并烧录到主控芯片中运行。
c语言响应代码：
w4 = （float）p_Temp[1] - （-1.53589）*w2 - 0.898466*w3;
cannle[1]= （u32）（0.94923 * w4 + （-1.53589）*w2+0.949 23*w3）;
w3 = w2;
w2 = w4;
2.5.3 基于MATLAB的高通濾波器
同样采用MTLAB生成的IIR的II阶高通滤波器来过滤掉人体产生的0.5hz以下的频率干扰，我们配置好相应参数后即可导出滤波系数。
得到响应函数：[5]
s32IIR_I_Filter（s32 InData，float *x，float *y，float *b，float nb， float *a，float na）
{
s32 z1，z2;
u8 i;
s32? OutData;
for （i=nb-1;i>0;i--）? {x[i]=x[i-1];}
x[0]=InData;
for （z1=0，i=0;i<nb;i++）{z1+=x[i]*b[i];}
for （i=na-1;i>0;i--）? ? {y[i]=y[i-1];}
for （z2=0，i=1;i<na;i++） {z2+=y[i]*a[i];}
y[0]=z1-z2;
OutData=y[0];
return （s32）OutData;
}
2.6 运动状态监测
2.6.1基于MPU6050六轴模块设计运动状态监测
通过读取MPU6050内置的x、y、z轴上的加速度，通过高斯滤波将其3个方向的数值合一得到一个预算的峰值，一个峰值变换对应一步数，同时将所得加速度经过积分得到速度，即可计算出运动步伐。
由于产品佩戴于胸前，所以选取X轴方笔直朝下，使用I2C通讯协议，提取MPU6050各轴数据，消除零点漂移之后，对加速度计的数据进行均值滤波，通过加速度计数据得到x轴与重力加速度方向的角度，然后通过卡尔曼滤波融合陀螺仪的加速度，得到修正之后X轴与重力加速度方向的倾角，实际实验测试出临界阈值。
2.6.2加速度的C语言计算代码
mpu6050_get_data（&gx，&gy，&gz，&ax，&ay，&az，&temperature）;
acc_filter（）;
ax-=AX_OFFSET;
ay-=AY_OFFSET;
az-=AZ_OFFSET;
gx-=GX_OFFSET;
gy-=GY_OFFSET;
gz-=GZ_OFFSET;
angle_dot = gz * GZRO_SCALE;
angle =atan（sqrt（ax * ax + ay * ay ）/az ）;
angle =angle * 57.295780;
kalman_filter（angle， angle_dot， &f_angle， &f_angle_dot）;
2.7 体温监测
TI公司的LMT70是低功耗高精度的模拟温度传感器。其16位精度的AD采样使其工作在20°C-42°C范围时，误差为±0.05°C。由于人体温度刚好囊括在这一范围，因此在确保其基准电压的精准时，能准确的返回所需的数据。
由于LMT70电压传递函数不是标准的线性，所以采用三阶传递函数方程来确保其工作在所需的最佳拟合中。
三阶传递函数C语言如下：
double a= -1.064200E-09;
double f= -5.759725E-06;
double c= -1.789883E-01;
double m=? 2.048570E+02;
temp=a*（temp）*（temp）*（temp）+f*（temp）*（temp）+c*（temp）+m; //temp初始温度值
3 传输方式
3.1 方案选择
方案一：使用蓝牙3.0模块搭建单片机--手机或者单片机---单片机通讯，完成数据传输。
方案二：使用nrf24L-01模块搭建单片机--手机或者单片机---单片机通讯，完成数据传输。
方案三：使用串口无线透传完成单片机---电脑的无线通讯，使用串口传输发送与接收数据。
由于蓝牙模块传输速率为24Mb/s，而ECG要求传输数据大，所以使用蓝牙传输会有一定的延时接收，同时由于蓝牙的传输距离有限，无法实现远距离的传输，因此不采用。Nrf模块在传输速率上达到了1ms一包，一包大概32字节，完全能满足ECG庞大的数据量。但是Nrf需要与单片机搭配才能接收数据，提高了成本和电路复杂性，不予考虑。
而ebyte公司的串口透传具有自动调频功能，抗干扰能力强，传输效率高，传输距离远。且减少了接收端的电路复杂性（只需要将usb插上电脑即可）和发送端的操作难度（只需将数据通过printf传输即可）。
3.2 理论分析
设计通过NRF24L01无线串口透传来实现人机无线传输。搭建的系统由下位机与上位机人机界面2部分组成：先使下位机主机板STM32控制芯片将采集的人体信息发送给无线透传模块，然后无线传送到下位机从机板无线接收模块，无线接收系统结合串行通信接口，把数据送往上位机PC端实现数据的显示并在上位机界面上实现无线视屏监控，并且不需要无线路由器构建的局域网环境进行通讯，摆脱了传统有线传输的束缚，实现了无线实时监测数据和人机互动功能。
系统流程图：（如图2）
4 上位机
采用QT对上位机进行开发，通过串口读取数据。由于使用的是串口透传模块进行单片机与PC端的通信，所以只需要区分每段数据的数据类型即可。
传输的数据格式如下：printf（"<%d，%d，%d，%d，%d，%d，%d，%d>"， nrfSendData.bytes.heartRate，
nrfSendData.bytes.stepNum，
nrfSendData.bytes.tempture，
nrfSendData.bytes.adsData[0]，nrfSendData.bytes.adsData[1]，
nrfSendData.bytes.adsData[2]，
nrfSendData.bytes.adsData[3]，
nrfSendData.bytes.adsData[4]，
nrfSendData.bytes.adsData[5]）;
一個数据包有32Byte的大小，传输顺序按照心率、步数、温度、和ECG，大小分别为2Byte、2Byte、4Byte以及24Byte。当数据传输到上位机后，PC端上位机按照传输方式提取数据，并把数据转换为十进制显示到QT编写的页面中。
5 测量结果
5.1 测试数据
距离显示：（如表1）
温度显示：（如表2）
心率显示：（如表3）
5.2 测试结论
（1）心率精度高，误差不超过1%;
（2）温度精度受基准电源影响，在±2℃内;
（3）距离显示受摆动加速度影响，误差不大于10%;
在完成简易穿戴和低功耗要求前提下，保证了低延迟的传输。同时完成了人体运动的监测、体温和心率的实时显示，已达到测试要求。
参考文献：
[1] 邓海涛，张桂珊，邹秋云， 等.基于STM32处理器的心电信号系统[C].//中国计算机学会.第五届全国可穿戴计算学术会议暨2015可穿戴与医学变革研讨会论文集.2015：1-10.
[2] 同[1].
[3] 邓海涛，张桂珊，邹秋云， 等.基于STM32处理器的手机监控心电的设计[J].集成技术，2015（05）：78-86.
[4] 同[1].
[5] 孙迎，宋健.基于Android的远程心电检测系统[J].计算机应用与软件，2013，30（04）：326-329.
西华大学，四川 成都
