远程心率监护及急救系统设计＊

张晓林，李赓，刘承桥，李柏年

（1.兰州大学 信息科学与工程学院，兰州 730000；2.浙江大学）

张晓林（硕士研究生），研究方向为计算机科学、计算机应用技术。

引 言

心率是人体最重要的生理信号，反映了人的身体健康状况。传统的心电信号采集是通过十二导联电极采集心电信号，只能在医院内进行。目前市场上的心率测量器可通过在指尖上佩戴传感器测量人的心率，但这种设备不能对人体心率状况进行实时跟踪监测［1］。对于老年人、孕妇等特殊人群的异常和突发状况不能及时获取并给予救治。因此设计一套能够实现远程监控病人身体状况，并在病人心率发生异常时给予快速有效的救援系统有非常重要的现实意义。本文利用GPRS无线网络和BD2／GPS定位技术将病人的实时心率和所在位置发送到监控中心，以便于医护人员能够实时了解患者身体状况并在发生异常状况时采取快速有效的措施。

1 系统总体结构

本系统由人体心率监测装置和监控软件两部分组成。心率监测装置包括定位装置、心电采集模块、急救按钮、存储器和GPRS无线传输模块。监控软件运行在普通PC机或服务器上，用于远程监护病人的身体状况和位置信息。如图1所示，监测装置中的GPRS无线传输模块通过基站与监控软件通信［2－4］。

图1 系统结构图

系统工作时有如下两种情况：

①病人身体状况良好且未按下急救按钮时，设备将采集到的正常心电信号和定位信息存储在本地存储器MicroSD卡中，同时将心率和位置信息通过网络发送给监控软件。

②当病人心率异常或按下急救按钮时，设备通过无线网络向监控软件发送报警指令。监控软件收到报警指令后提醒患者家人和医护人员采取急救措施，同时监控软件将监测装置发送的地理坐标转换为位置信息并显示在百度地图上，以方便及时抢救病人。存储于监测装置MicroSD 卡中的心电数据还可通过上位机软件恢复成心电曲线，以方便医护人员分析患者病情。

2 硬件系统

硬件系统结构图如图2所示，包括STM32主控制器、心电传感器、急救按钮、MicroSD 存储卡、UM220BD2／GPS联合定位模块、SIM900A GPRS无线传输模块。本系统中UM220模块和GPRS模块分别连接STM32的串口2 和 串 口3，MicroSD 卡 采 用SPI接 口 与STM32 的SPI2接口相连。心电传感器输出的模拟信号连接单片机的ADC模块进行心电的采样。

图2 硬件系统结构图

2.1 STM32主控制器

系统使用意法半导体公司基于ARM 内核的32 位STM32F103RBT6微控制器，主频可达72MHz，内部集成有高达128KB的Flash和20KB的SRAM，供电电压为2.0～3.6V，并带有可编程电压监测器，有多个定时器和通信接口可用，其内部集成的2个12位模／数转换器转换时间仅1μs，输入通道有16个之多。

2.2 心电采集

系统采用光电容积法采集病人的心电信号。光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时会造成透光率不同来采集心电信号。使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的一定波长（500～700nm）的发光二极管，由于血液循环与心脏的跳动有关，所以光电变换器接收到的信号反映了心脏的心电信号。光电变换器采集到的模拟心电信号一般需要通过放大、滤波、采样、量化4个过程转换为数字信号。本系统的心电采集模块集成了放大和滤波功能，采样和量化由STM32F103RBT6微控制器完成。光电容积法心率测量是监护测量中最普遍的方法之一，具有方法简单、佩戴方便、可靠性高和性价比高等特点，便于普及推广应用［5－6］。

2.3 UM220定位

我国自行研制的北斗全球卫星导航定位通信系统，是世界上第3个成熟的卫星导航系统。系统采用和芯通星生产的单芯片BD2／GPS接收模块UM220，可利用北斗卫星和GPS卫星进行联合定位。空间定位精度可达到3m，有UART、SPI、I2C 三种交互接口可用，输出数据格式为NMEA 0183。系统将模块串口与控制器串口相连，从＄GNRMC语句中提取出经纬度信息，经GPRS模块发送给监控软件。

2.4 MicroSD卡和GPRS无线通信模块

MicroSD卡是目前广泛使用的移动存储设备，具有体积小、容量大的特点。系统将采集到的心电信号和位置信息备份到MicroSD卡中。

GPRS无线传输模块是本系统实现远程监护的关键部分，GPRS网络是在GSM 网络基础上建立起来的，覆盖范围非常广。系统使用的SIM900A GPRS 无线模块内置TCP／IP协议栈，非常适合移动互联网应用。系统使用该模块发送UDP数据包，将位置和心率信息传输给监控软件。

3 软件系统

3.1 主控制器软件部分

主控制器是心率监测装置的核心部件，主要任务有：①将心电传感器的模拟信号转换为数字信号，并对该信号进行卡尔曼滤波、波峰检测、心率计算；②解析UM220 BD2／GPS模块接收到的定位信息，并进行均值滤波处理；③在MicroSD卡中建立FAT32文件系统，并将心电和位置数据存储在其中；④控制SIM900A GPRS无线模块正常工作，并利用它与后台监控软件进行通信，将心率和位置信息发送到后台监控软件；⑤检测心率是否异常及急救按钮是否按下，若是，则向后台监控软件发送报警信号；⑥管理和协调以上5个任务合理工作。图3是主控制器程序流程图。

图3 主控制器程序流程图

3.2 监控软件

监控软件采用Qt软件编写，建立UDP服务器用来接收监测装置发回的位置和心率数据，并在接收到急救命令时报警提醒患者家人和医护人员采取救援措施。

监控软件采用多线程以保证信息接收和界面响应的实时性。程序执行步骤如下：

①UDP服务器接收到监测装置发回的数据，并进行判断，若是报警信息，则报警；

②将接收到的数据中的地理坐标通过百度地图提供的HTTP接口转换为百度坐标；

③调用JavaScript接口将百度坐标位置显示在地图上，并利用HTTP接口将百度坐标转换为街道信息；

④显示所有数据，并等待下一帧数据到来。

4 系统测试

图4所示为根据上述原理设计制作的心率监护装置，该装置能够实现心率的采集、滤波处理和存储发送，以及BD2／GPS定位数据的正确解析和发送。

图4 心率监护装置

图5为监控软件根据存储在MicroSD 卡中的数据恢复出的心电曲线。图6为上位机监控界面，能够实时显示病人的正常心率为每分钟79次，以及此次的测试地点为兰州大学飞云楼，兰州大学所在地址甘肃省兰州市天水南路222号。

图5 心电曲线

图6 监控软件界面

结 语

本文将GPRS无线通信网络和BD2／GPS定位技术应用到远程心率监护系统中，此系统不限于在室内使用，覆盖范围较广，实用性较强。如果病人使用此系统，能够将其心率和位置及时可靠地发送到监控上位机端，并且可以对异常情况进行报警，具有很高的实用价值。

［1］Nurul Fauzana Imran Gulcharan，Hanita Daud，Nursyarizal Mohd Nor，et al.Investigation and Development of Remote Vital Signs Monitoring Device Using Wireless Communication［C］／／2014 5th International Conference on Intelligent and Advanced Systems.Malaysia：IEEE Computer Society，2014.

［2］Yougui Liu，Baoxing Bai.Research on GPRS Vehicle Location Network Service System［C］／／CMCE.Changchun：IEEE Computer Society，2010.

［3］刘宾，陈占帅，褚志鹏，等.基于GPRS的智能公交站牌显示系统设计［J］.电子设计工程，2014，22（11）：134－136.

［4］辛凯，张喜验，綦声波，等.基于STM32的海洋环境数据采集系统设计［J］.山东科学，2014，27（2）：8－12.

［5］María J，Morón，Eduardo Casilari，Rafael Luque，et al.A Wireless Monitoring System for Pulse－oximetry Sensors［C］／／Systems Communications 2005.Montreal：Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society.

［6］Mohammad Ashekur Rahman，Atanu Barai，Asadul Islam，et al.Development of a device for remote monitoring of heart rate and body temperature［C］／／ICCIT 2012.Chittagong：IEEE Computer Society，2012：411－416.