梁美麗,尹禮壽,陳立杰

基于Cortex-M3處理器和SIM900A的可穿戴健康參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

梁美麗1,尹禮壽2,陳立杰3

1. 山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系, 山西 太原 030013 2. 太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系, 山西 太原 030013 3. 浙江農(nóng)林大學(xué)國際教育學(xué)院, 浙江 杭州 310000

中國人口老齡化日趨明顯，獨(dú)居老人發(fā)生危險得不到及時救治，關(guān)愛老人成為迫切需要解決的問題。系統(tǒng)以Cortex M3核心板和高性能GSM/GPRS模塊SIM900A作為設(shè)計核心，設(shè)計了一款可以自發(fā)短信的老人健康參數(shù)檢測系統(tǒng)。核心板采用STM32F103C8T6作為控制器，在無創(chuàng)脈搏波測量法的基礎(chǔ)上建立心率、血壓、血氧飽和度相應(yīng)的測量模型，并基于參數(shù)測量值進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)值超出或低于正常范圍時發(fā)出報警短信給監(jiān)護(hù)人。此電路設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)在于體積小，功耗低，成本低廉。

核心處理器; 光電容積脈搏波; GSM/GPRS

1 研究背景及意義

2016年5月16日，揚(yáng)州市區(qū)錦旺社區(qū)的一名年逾古稀的老大爺獨(dú)自在家洗澡，因不慎跌倒而猝死，兩天后才被發(fā)現(xiàn)；2017年一位獨(dú)居的81歲老太在死后2個月才被發(fā)現(xiàn)；2018年8月3日，南京雨花臺一位獨(dú)居老人洗澡時不慎摔倒，家人也沒有及時發(fā)現(xiàn)。中國正處在社會轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，許多制度還有待完善和建全。隨著老齡化人口的增加，醫(yī)療、養(yǎng)老等社會服務(wù)方面的壓力日漸明顯，為了不給兒女留下無法彌補(bǔ)的遺憾,更多的關(guān)愛獨(dú)居老人,本文設(shè)計了“一種基于Cortex-M3處理器和SIM900A的老人健康參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠通過監(jiān)測老人的生命體征數(shù)據(jù),在危急時刻將危險數(shù)據(jù)以電話或者短信形式第一時間通知監(jiān)護(hù)人，為發(fā)生意外的老人贏得最佳治療時機(jī)。鑒于老人的年齡特點(diǎn)，此設(shè)計具有操作簡單，攜帶方便，電路功耗低，成本低廉，定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

2 主要研究內(nèi)容

古人有"二十八脈"之稱，脈象是心理活動、病理轉(zhuǎn)化的客觀指征[1]。一般情況下脈搏和心臟的收縮舒張是一致的，故一些疾病的前期癥狀很多都能從脈搏上反應(yīng)出來。對中醫(yī)來說測量脈搏是一個不可缺少的檢查項(xiàng)目。傳統(tǒng)的脈搏測量法主要通過人工測量，手工記錄的方式。這樣一是加大了醫(yī)生的工作量二是脈搏細(xì)弱觸不清時容易出錯，精度也不高。1860年Vierordt創(chuàng)建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，1950年左右朱彥把脈搏的測量技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷中，隨著醫(yī)學(xué)的智能化發(fā)展，脈搏采集也越來越多樣化。本文利用基于光電容積脈搏波原理的脈搏傳感器進(jìn)行脈搏采集，對采集的數(shù)據(jù)用單片機(jī)進(jìn)行處理，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型測得心率、血壓、血氧等生理參數(shù)。鑒于人體手腕部最適于穿戴，而且易于連續(xù)長時間實(shí)時監(jiān)測，故本文主要采集橈動脈處的脈搏。

光電容積脈搏波是基于郎伯比爾定律與人體動脈血之間的關(guān)系得到的變化波形。光電容積脈搏波描記法(PPG)是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測方法[2]。此方法中的光源一般采用對動脈血中兩種血紅蛋白有選擇性的光源，即660 nm附近的紅光和900 nm附近的紅外光。當(dāng)這兩種光束照射到皮膚表面時，皮膚內(nèi)的血液容積在心臟作用下成搏動性的變化，心臟收縮時光吸收量大檢測到的光強(qiáng)度小，心臟舒張時光吸收量小檢測到的光強(qiáng)度大。光電變換器將接受到的光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⑦@個電信號放大和輸出。由于心臟的搏動是周期性變化的，因此光電變換器的電信號也是周期變化的。光電容積脈搏波描記法不需要復(fù)雜和昂貴的設(shè)備，而且操作簡單。此方法對人體沒有傷害，可無限重復(fù)使用而且誤差較小。

3 電路硬件設(shè)計

本電路設(shè)計分3部分構(gòu)成。分別是：信號采集，信號處理，無線通信。本系統(tǒng)的硬件電路圖如圖1所示。電路設(shè)計中主控芯片采用STM32F103系列的STM32F103C8T6單片機(jī)，還用到了脈搏波傳感器模塊、OLED顯示模塊、SIM900A通信模塊和電源電路。

數(shù)據(jù)采集部分主要利用脈搏傳感器獲取人體橈動脈的脈搏信號,鑒于人體的脈搏信號很微弱，單片機(jī)對微弱信號很難直接處理。此電路設(shè)計需要先把微弱信號進(jìn)行放大，濾波，再通過比較器把波形轉(zhuǎn)換成矩形波，通過濾波把噪音濾掉。把得到的矩形波輸入到STM32單片機(jī)中，STM32對采集到的數(shù)據(jù)通過建立各種相應(yīng)模型的計算來估計血氧、心率和血壓等三個參數(shù)值，然后判斷處理計算結(jié)果[7]。超限信息判斷結(jié)束以后,如果超限的條件成立,通過SIM900A將超限數(shù)值傳送給老人的監(jiān)護(hù)人來達(dá)到及時監(jiān)測的目的。

圖 1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前大家需要明確一個概念，測量人體返回的PPG信號并不是一件容易的事情。因?yàn)樾盘柗浅Ｎ⑷?，很容易被其他干擾噪聲所淹沒。所以不同的人或者同一個人處于不同的環(huán)境下，身體不同的部位都會得到不同的PPG信號。脈搏波信息采集質(zhì)量的好壞將會影響后面對數(shù)據(jù)的處理和分析,所以對脈搏傳感器的選擇尤為重要。本檢測電路的設(shè)計思想是采用模塊化設(shè)計，在選用脈搏傳感器時以功耗低，成本低，穩(wěn)定性好，使用壽命長作為主要考慮因素。脈搏波傳感器模塊的主要功能是驅(qū)動LED光組交替照射在人體腕部，對人體腕部返回的反射光數(shù)據(jù)做預(yù)處理。本文選用了Maxim公司的MAX30102，它是一種高靈敏度血氧和心率的生物傳感器模塊。

MAX30102的發(fā)光部分包括兩個LED，一個是紅光LED（660 nm），另一個是紅外光LED（880 nm），這個是測量血氧飽和度SPO2最常見的配置。接收部分是一個對可見光和紅外光都敏感的光電二極管，MAX30102將接收的光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過環(huán)境光消除電路后，最后被自帶的18位ADC進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)化，至此模擬部分完成。AD轉(zhuǎn)化后的數(shù)字經(jīng)過數(shù)字濾波后儲存在數(shù)據(jù)寄存器中，最后可通過I2C總線被外接MCU讀取。在硬件上，LED的電源和其他部分的電源不是同一個，因?yàn)長ED為了保證足夠的入射光強(qiáng)，需要瞬間大電流（最大50 mA），這就要求LED的正向電壓足夠大（要求3.1 V以上）。而其余的AD轉(zhuǎn)換和I2C總線部分，為了實(shí)現(xiàn)低功耗要求電壓足夠小（要求1.8 V），所以傳感器需要兩路獨(dú)立的電源。此外，由于LED電源會產(chǎn)生瞬間大電流，所以電源引腳附近要加一個大電容減輕對電源電壓的影響。

3.2 STM32核心控制系統(tǒng)

STM32核心控制系統(tǒng)采用了功耗低，成本低的STM32F103C8T6集成電路。集成電路中采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型STM32F103單片機(jī)。STM32F103單片機(jī)型號為STM32F103C8T6。STM32F103C8T6芯體為32位，程序存儲器型容量是64 KB，需要電壓2 V~3.6 V，工作溫度為-40 °C ~ 85 °C[4]。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)包括MCU，電源穩(wěn)壓電路，電源濾波電路，BOOT選擇電路，指示燈電路，JLINK接口電路，晶振電路，復(fù)位電路，擴(kuò)展口電路和USB接口電路[8]。此電路的特點(diǎn)是高性能、低成本、低功耗，其外形尺寸只有傳統(tǒng)的DIP40封裝（例如AT89S52）的大小。STM32F103C8T6微控制器以I2C總線方式訪問其內(nèi)部FIFO來獲取采集到的脈搏波數(shù)據(jù)，在STM32F103單片機(jī)中處理脈搏波波形數(shù)據(jù)并且提取、計算來獲得心率、血壓、血氧參數(shù),這些健康參數(shù)結(jié)果通過OLED實(shí)時顯示的同時做出超限判斷。如果超限條件成立將通過SIM900A模塊進(jìn)行通信。STM32F103C8T6電路圖如圖2。

圖 2 STM32F103C8T6電路圖

3.3 OLED顯示

OLED，有機(jī)發(fā)光二極管又稱為有機(jī)電激光顯示。OLED顯示屏是利用有機(jī)電自發(fā)光二極管制成的顯示屏[5]。OLED是主動發(fā)光的顯示器，與其他顯示器相比具有高對比度，寬視角，快速響應(yīng)，高發(fā)光率，低操作電壓，超清薄等優(yōu)點(diǎn)。OLED可耐受的溫度區(qū)間達(dá)到-40 °C ~ 85 °C溫度范圍。并且OLED不含鉛，不會造成環(huán)境污染，被認(rèn)為下一代平面顯示器新型應(yīng)用技術(shù)。最先接觸的12864屏都是LCD的，需要背光，功耗較高，而OLED的功耗較低，更加適合小系統(tǒng)。本系統(tǒng)中采用了0.96OLED顯示模塊，該模塊的特點(diǎn)是：1、三色可選，模塊有兩種顏色可選，單色為純白色和純藍(lán)色，雙色為黃藍(lán)雙色；2、超小尺寸，顯示尺寸為0.96寸，模塊尺寸為27 mm*26 mm*4 mm；3、接口模式，采用串行SPI接口模式；4、高分辨率，分辨率為128*64；5、帶字庫，可顯示標(biāo)準(zhǔn)的國體簡體漢字，8*16點(diǎn)ASCII粗體字庫，7*8點(diǎn)ASCII字庫，5*7點(diǎn)ASCII字庫[6]。

圖 3 電源電路圖

3.4 電源模塊

電源是系統(tǒng)硬件電路的主要組成部分。電源模塊給整個系統(tǒng)供電，為微控制器STM32、SIM900A模塊提供穩(wěn)定的電壓.主控電路STM32F103C8T6的工作電壓是3.3 V。SIM900A使用單電源供電，VBAT電壓范圍是3.2 V~4.8 V。為使模塊的各個部分正常工作必須對兩者分別供電。電源電路(圖3)。

3.5 SIM900A通信模塊

SIM900A模塊是一款采用SMT封裝，ARM926EJ-S架構(gòu)的緊湊模塊。它提供了多種所需的應(yīng)用接口，其中包括主串口，調(diào)試串口，音頻接口，SPI接口等，可以滿足各種場景的應(yīng)用。SIM900A模塊主要由基于GSM網(wǎng)絡(luò)的SIM900A芯片控制，此芯片是一個EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz的雙頻模塊。它可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)的傳輸[3]。SIM900A所有的指令都必須是以ASCII編碼字符格式，在睡眠模式下最低耗流只有1.0 mA。要實(shí)現(xiàn)STM32單片機(jī)與SIM900A模塊之間的數(shù)據(jù)通信，除了硬件連接之外還要在軟件設(shè)計時搭建開發(fā)平臺，在Keil工程中添加需要用到的庫函數(shù)和配置文件。配置文件包括依次對系統(tǒng)時鐘、中斷函數(shù)、輸入輸出的GPIO口配置，以保證模塊能夠正常運(yùn)行。電路圖中STM32處理器的PA14腳接SIM900A的PWRKEY腳，完成SIM900A的上電、下電及重啟控制。單片機(jī)的串口1可通過J5跳線完成與SIM900A的串行通信控制。

4 電路軟件設(shè)計

軟件編寫主要由C語言完成。電路軟件包括主控芯片初始化和SIM900A模塊初始化兩大部分。主控芯片初始化包括系統(tǒng)初始化和健康參數(shù)提取算法兩大部分。系統(tǒng)初始化流程圖見圖4。系統(tǒng)初始化是指各個模塊的初始化。健康參數(shù)提取算法包括血壓、心率、血氧的計算，各流程圖分別為圖5、圖6、圖7。電路通過橈動脈處MAX30102評估版進(jìn)行5 s時間（2000點(diǎn)）的脈搏波采集，先對原始信號預(yù)處理，再獲取脈搏波的特征值來計算心率、血氧和血壓。

圖 4 健康監(jiān)測系統(tǒng)總流程圖

圖 5 血壓獲取

圖 6 血氧獲取

圖 7 心率獲取

5 系統(tǒng)調(diào)試

整個系統(tǒng)測試包括硬件調(diào)試和系統(tǒng)性調(diào)試兩大部分。硬件調(diào)試為各個功能模塊的功能測試，具體由MAX30102評估板的脈搏波采集測試，STM32F103單片機(jī)最小系統(tǒng)測試和OLED顯示模塊測試等。在調(diào)試之前先拿萬用表對電路的焊接做個簡單的檢測，如果電路焊接沒問題，就把各模塊之間通過杜邦線連接起來為后面的系統(tǒng)調(diào)試做好準(zhǔn)備。第二個部分為系統(tǒng)性能測試，設(shè)計者通過串口調(diào)試助手對電路串口和主控芯片進(jìn)行信息交互，設(shè)置好輸出波特率和數(shù)據(jù)幀的格式，在每部分調(diào)試通過后將程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)中，看是否與自己設(shè)置的功能相符。調(diào)試完成后將此設(shè)備測得的數(shù)據(jù)和現(xiàn)有儀器測得的心率、血氧和血壓的健康參數(shù)值進(jìn)行對比，計算誤差并分析。

6 總結(jié)

此監(jiān)測系統(tǒng)是針對老人設(shè)計的，在傳統(tǒng)監(jiān)測健康參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了通信功能。此電路的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，體積小，能實(shí)時監(jiān)測并傳送出去。本系統(tǒng)將信號采集，信號處理以手腕佩戴的方式集成在一起區(qū)別于傳統(tǒng)的可穿戴設(shè)備體積大，功耗大的特點(diǎn)。鑒于體積方面的約束，本監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的精度沒有達(dá)到很精確，監(jiān)測到的生命體征參數(shù)也有限，這些方面是以后需要改進(jìn)的地方。

[1] 朱雯,阮曉聲,梁中慶,等.脈動波在彈性管道中的傳播速度與諸因素的關(guān)系[J].浙江大學(xué)學(xué)報,1996,25(4):154-156,177

[2] 黃偉榮.可穿戴式健康參數(shù)監(jiān)測方法與系統(tǒng)設(shè)計[D]..西安:西安理工大學(xué),2018

[3] 劉永濤,劉佳,李玉華,等.基于SIM900A的語音燃?xì)鈭缶b置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017,40(3):96-99

[4] 花磊.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)院中的應(yīng)用[J].中外醫(yī)學(xué)研究,2012,10(28):141

[5] 胡大一.心血管內(nèi)科學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2008

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[8] 彭順生.基于的大氣粉塵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[D].湖南:湖南大學(xué),2015

Design of Wearable Health Monitoring System Based on Cortex-M3 and SIM900A

LIANG Mei-li1, YIN Li-shou2, CHEN Li-jie3

1.030013,2.030024,3.310000,

The aging of the Chinese population is becoming increasingly obvious. The danger of elderly people living alone can not be treated in a timely manner. Caring for the elderly has become an urgent problem that we need to solve.The system uses the Cortex M3 core board and the high-performance industrial-grade GSM/GPRS module SIM900A as the design core, and designs an elderly health parameter detection system that can spontaneously send text messages to alert.The processor of the core plate uses STM32F103RC8T6 as a controller to establish a corresponding measurement model of heart rate, blood pressure, and blood oxygen saturation based on the non-invasive pulse wave measurement method, and conducts data mining analysis based on parameter measurement values. Send alert messages to relevant personnel when monitoring data values are above or below the normal range.The innovation of this circuit design lies in its small size, low power consumption and low cost.

Multiple health parameter detection; PPG; GSM/GPRS

TP391.4

A

1000-2324(2019)03-0445-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.019

2018-02-20

2018-04-28

山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(20131114)

梁美麗(1982-),女,碩士,講師,研究方向:電子技術(shù)，信息通信. E-mail:li13994299381@126.com