基于北斗可穿戴式老人心率检测仪

邱云翔，蔡成林，孙 凯，于 鹏

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

基于北斗可穿戴式老人心率检测仪

邱云翔，蔡成林，孙 凯，于 鹏

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

为了实时检测老人在户外的心率健康状况，设计了一种基于北斗的心率检测仪。当老人心率异常时，可以通过穿戴式检测设备及时通知老人的监护人和医护人员，并告知确切的位置，以获得最快的医治。系统由心率信号采集与处理、GSM模块通信、北斗定位、STM32F405组成，实现对心率信号实时采集与处理，远程监护老人心率健康与定位，对北斗民用化在便携式医疗中的应用有一定的参考意义。关键词: 心率检测；GSM模块；BD定位；穿戴式；北斗民用化

随着中国进入人口老龄化社会，心血管疾病成为了老人健康的“头号杀手”，给老人生命安全带来巨大隐患[1-2]，对老人心率实时在线检测能帮助减少这类隐患对老人的生命威胁。文献[3]提出了一种基于GPS的远程心电监护定位系统的设计，该系统通过CDMA网络将相应的心电数据传送给PC机监控中心，采用GPS对病人进行定位。文献[4]提出了一种基于安卓手机的心率检测方案，使用3个电极采集心电信号，通过安卓手机连接服务器上传心电数据。文献[5]给出了基于物联网概念下的便携式心电监护仪的设计方案，通过ZigBee和GPRS连接到网络实现对用户的实时监测，采用GPS进行定位。目前正是国家大力推广具有知识产权的北斗导航定位系统进行民用产品开发之际，本文设计了一种基于北斗的老人心率监护仪。该仪器具有心率异常检测、位置报告等功能和可穿戴、低功耗等优点，以及良好的技术先进性和极大的社会价值。

1 系统结构

系统的核心Cortex M4内核STM32F405为控制器，通过压电陶瓷片的压电效应检测脉搏跳动的采集信号，经过放大和滤波、整形处理成脉冲信号，从而获得心率信号并送入控制器；同时北斗模块对用户地理位置进行定位并送入控制器。控制器将获得的心率信号信息和经纬度地理坐标信息通过GSM 模块送给远程监护人员及急救人员；TFT触摸屏可以方便病人实时查看自身的心率信号波形和地理位置信息。SD卡保存用户的心率波形数据，医护人员可通过串口与PC连接，根据这些记录的信息进行相应的分析。如图1所示。

图1 系统结构图

压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号。某些材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷的现象，称为压电效应。具有这种性能的陶瓷称为压电陶瓷，它的表面电荷的密度与所受的机械应力成正比。

利用压电陶瓷片的正压电效应检测脉搏震动，获取心率信号。由于心率信号属于生物信号，非常微弱且频率很低，信号幅度在40 μV～2 mV之间，频率范围为0.3～3 Hz，很容易受到外界干扰，需要进行相应的放大、滤波、整形处理，通过检测一个周期时间就可算出一分钟心跳次数。心率信号采集和处理框图如图2所示。

图2 心率信号采集和处理框图

2 信号采集和处理电路设计与实现

2.1 高阻抗差动放大器电路设计

心率信号属于微弱的生理信号，易受外界环境影响。根据这个特点，信号放大电路采用高阻抗差动放大器电路，又称为仪表放大器，是数据采集、精密测量以及工业自动化控制系统中的重要组成部分，通常用于将传感器输出的微弱信号进行放大。具有高增益、高输入电阻和高共模抑制比等特点。电路中的3个运放都接成比例运算电路的形式，电路包含两个放大级，U1、U2组成第一级，二者均为同向输入方式，因而输入阻抗很高。由于电路结构对称因此可以抵消漂移。第二级的U3为差分输入方式，将差分输入转换为单端输出。在本电路中要求原件参数对称， 即R2=R3，R4=R5，R6=R7。当加上差模输入电压UI时，由于U1和U2的输入电压U11和U12大小相等，极性相反，此时可以认为电阻R1的中点电位保持不变，即在R1/2处相当于交流接地。只要改变电阻R1，即可灵活调节输出电压与输入电压之间的比例关系。如图3所示。

图3 高阻抗差动放大器电路

2.2 多回路负反馈带通滤波电路设计

(1)

Req=R1∥R2

(2)

(3)

根据上述公式，计算得R1、R2、R3分别为10.73 kΩ、26.91 kΩ、27.31 kΩ，C1、C2为10 μF，经过仿真和调试验证该滤波器选频性能满足系统需求。

3 系统软件设计

心率检测电路采集心率信号，STM32F405通过捕获检测心率频率，并将心跳次数显示在TFT触摸液晶上，用户可以选择保存数据到SD卡中，如果检测到心率信号不正常，发出警报，提醒用户休息，并启动GSM模块，将当前心率健康信息、地心地固直角坐标系坐标信息发送给用户的监护人或者医生。心率检测与定位主程序流程图如图5所示。

图5 心率检测与定位主程序流程图

4 北斗定位

本系统采用中科微电子ATGM332D双模接收机模块，可同时接收所有的GPS和BDS可见卫星，定位精度5 m。根据接收机模块输出的原始数据进行解析和定位。包括对原始观测数据、UTC数据、BDS 8参数定点电离层数据、BDS星历解析，根据解析后获得的数据进行静态和动态伪距单点定位。

4.1 北斗单点伪距定位原理

(4)

校正后的伪距观测方程式

(5)

4.2 算例分析

4.2.1 解析过程

ATGM332D双模接收机模块与控制器通过串口通信读取原始数据，在接收到完整的一帧数据后，按照CASIC协议进行解析，根据标识符进行对应的解析，得到伪距、接收机时间、卫星编号、卫星数、星历等数据。

根据观测模型修正电离层误差、对流层误差、卫星钟差，对伪距观测值进行平滑滤波处理，根据加权最小二乘法进行定位。

4.2.2 解码结果

按照中科微BD2/GPS 接收机CASIC协议对观测数据进行解析定位，将解算出的大地坐标系转换为地心地固直角坐标系(ECEF)输出。系统每一秒输出(x，y，z)坐标，任意选取系统输出的10 s定位数据如表1所示。

4.2.3 单点伪距定位精度验证

为了验证单点伪距定位精度，采用和芯星通UR240-CORS-II BD2/GPS双系统四频高精度接收机采集北斗卫星数据，根据观测数据和滞后IGS精密星历通过PPP[11-12]算法(精度厘米级)进行测定，测定出接收机天线相位中心位置坐标为(-2 005 037.143 2，5 411 160.991 5，2 707 856.914 7)。将系统解析获得的定位坐标与精密坐标相减，获得坐标(Δx,Δy,Δz)，即误差值，连续采集一个小时数据获得3 600个坐标进行分析，由图表分析可知误差范围在5 m以内，如图6所示。

表1 ATGM332D双模定位模块解析10 s定位数据

年/月/日时/分/秒XYZ16/05/2909:22:35-2005037.79435411161.04802707856.057716/05/2909:22:36-2005038.029554111602707854.414816/05/2909:22:37-2005037.913754111602707855.418616/05/2909:22:38-2005037.026554111592707853.532216/05/2909:22:39-2005037.849054111612707855.531516/05/2909:22:40-2005037.249154111602707853.717916/05/2909:22:41-2005037.492554111602707855.354316/05/2909:22:42-2005037.885054111602707854.099916/05/2909:22:43-2005036.986054111602707855.390716/05/2909:22:44-2005037.146454111572707853.6076

图6 误差波形图

5 结果分析

为了验证“基于北斗可穿戴式老人心率检测仪”在实际应用中是否有效可靠、可行，进行心率采集、异常情况报告位置测试。邀请了20名身体健康且无心血管疾病史，年龄60～80岁男性志愿者，进行连续24小时佩戴监测，统计结果如表2所示。

表2 志愿者24 h动态心率检测统计表

性别人数年龄最慢心率最快心率24h平均心率异常次数报警次数男1060～705513375.611男1070～805311273.700

本次实验统计得到20名志愿者24 h心率平均次数为74.65次/min，最慢心率为53次/min，最快为133次/min。老年人运动时心率达到90次/min，达到有效的心肺功能训练。系统预先设计的异常阈值为120，如果心率次数大于120认为异常情况检测仪开始报警，并向用户监护人或者医疗社区报告用户位置。其中一名志愿者户外运动时间长导致心脏负荷过大，系统检测到了异常并报警。

6 结束语

本文研究了一种基于北斗可穿戴式老人心率检测仪，具有可穿戴性，能对老人心率实时在线检测，具有异常心率报警，通过GSM通信将老人位置报告给监护人和医疗社区。实际测试表明，本心率检测仪具有心率检测速度快、人机交互简单、定位精度较高、系统可靠性较高等特点。在对志愿者进行调查得到的结果表明：1)志愿者对产品易用性很满意；2)穿戴式设备没有对生活带来不便；3)穿戴式设备实时监测让志愿者更好地了解自己身体健康状况。

[1] 吴杰.中国健康人群正常心率范围的调查[J].中华心血管病，2001，29(6)：369-371.

[2] 陈伟伟. 中国心血管病报告2013概要[J].中国循环，2014， 29(7)：487-491.

[3] 刘彩霞. 基于GPS的远程心电监护定位系统的设计[J].电子技术应用，2010(6)：28-31.

[4] 刘一. 基于安卓手机的远程心电测量系统的设计[J]. 电子器件，2015，38(1)：194-197.

[5] 彭龑.物联网概念下的便携式心电监护仪[J].自动化技术与应用，2014，33(9)：61-64.

[6] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7] 刘基于. GPS卫星导航定位原理与方法[M]. 北京：测绘出版社，1998.

[8] 王君刚. U-BLOX 6接收机解码与定位测试[J]. 测绘通报，2015(11)：24-27.

[9] 李春华. 一种北斗伪距单点定位的加权最小二乘(WLS)快速算法[J]. 重庆邮电大学学报(自然科学版)，2014，26 (4)：466-472.

[10] EI-NAGGAR A M. An alternative methodl ogy for the mathematical treatment of GP Sposition[J]. Alexandria engineering， 2011， 50 (4)：361-365.

[11] 王利.基于原始观测值的单频精密单点定位算法[J]. 测绘学报，2015， 44 (1)：19-25.

[12] 张宝成.基于GPS双频原始观测值的精密单点定位算法及应用[J]. 测绘学报，2010，39(5)：478-483.

Elderly wearable heart rate detector based on Beidou

QIU Yunxiang，CAI Chenglin，SUN Kai，YU Peng

(GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuangxiGuilin541004，China)

To real-time monitor health conditions of heart rate for the elderly outdoor， a kind of system of the heart rate detection based on Beidou positioning is designed. When the elderly’s ECG is abnormal， the system can notify their guardians and caregivers through wearable testing equipment and inform the exact location to get the fastest treatment.The system consists of the heart rate signal acquisition and processing， GSM communication module， Beidou and STM32F405 composition， and has achieved real-time signal acquisition and processing of heart rate， remote monitoring and targeting elderly heart health. This has some reference value for Beidou civilian in portable medical application.

heart rate detection； GSM module； BD positioning； wearable； compass civilian

邱云翔，蔡成林，孙凯，等. 基于北斗可穿戴式老人心率检测仪[J].电视技术，2017，41(2)：19-22. QIU Y X， CAI C L， SUN K，et al. Elderly wearable heart rate detector based on Beidou [J]. Video engineering，2017，41(2)：19-22.

TN927

A

10.16280/j.videoe.2017.02.005

国家自然科学基金项目(61263028)

2016-06-20

邱云翔(1991— )，硕士生，主研卫星导航与无线通信；

蔡成林(1969— )，博士，教授，主要研究方向为卫星导航与无线通信、时空基准与位置服务等。

责任编辑：闫雯雯