纽扣式无线心率监测系统设计

华晨惠， 王晓飞， 邵海明， 丁军浩， 卢 恺

(1.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院 北京 100192;2. 中国计量科学研究院 电磁所， 北京 100013)

纽扣式无线心率监测系统设计

华晨惠1， 王晓飞1， 邵海明2， 丁军浩1， 卢 恺1

(1.北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院 北京 100192;2. 中国计量科学研究院 电磁所， 北京 100013)

设计了一种纽扣式无线心率监测系统，该系统采用光电容积法(PPG)设计了一款纽扣式传感器实现对心率信号的采集和预处理，利用微处理器Atmega 328进行ADC和心率计算，通过蓝牙将处理后的数据上传给基于LabVIEW设计的心率监测软件，实现对心率信号长时间实时的监测。对5名受测人员分别使用心率监测系统和人工方法进行多次重复性心率测试，心率监测系统的误差小于2%。结果表明，该系统性能稳定，实现了语音提示、语音报警、数据库建立、海量数据存储等功能。

纽扣式传感器; 心率监测; 蓝牙; LabVIEW

0 引 言

心血管疾病现为全球威胁人类健康和生命的主要疾病之一，也是中国人死亡的重要原因之一，因此其早期的发现和诊断有着非常重要的意义[1]。心率是目前评估心血管疾病的主要指标之一，若能对其进行长时间的监测和分析，在被监测者刚有心血管疾病倾向时就能得到合理的医生指导，发病之初就能及时给与治疗和抢救，将会降低患病率，减少患者的死亡率[2-3]。

传统的动态心电图仪简称Holter，可以24 h监测心电图，但因其质量、体积以及记录仪和电极间连线的复杂度决定了受检者带上它后会严重影响日常生活，而TI提供的便携式腕部心率计价格高。刘满晋采用三导联方式采集人体运动心电信号，要在胸部和右腿穿戴传感器使用起来很不方便[4];周聪聪等提出腕带式心率测装置在佩戴时会存在传感器位置偏移的状况等[5]。本文设计了一种纽扣式可以长时间无线监测心率，并且给使用者在情况异常时，给予提醒并及时报警的便携式家用心率监测系统。

1 系统设计

系统由光电反射式脉搏传感器模块、信号处理模块、微处理器Atmega328控制器模块、蓝牙通信模块及上位机组成。主要工作原理：脉搏传感器实时采集人体耳垂处的心率信号，经过信号处理模块后被A/D模块采集并传输到微处理器Atmega328完成对信号的处理。通过蓝牙模块实现与LabVIEW软件构建的上位机软件通信，将接收到的数据存储入心率数据库，以满足长时间的监测和比较。纽扣式无线心率监测系统的整体设计系统框图见图1。

图1 整体设计系统框图

2 硬件设计

2.1 光电容积法检测原理

光电容积法的基本原理是利用光电容积脉搏波进行脉搏测量，其传感器由光源和光电变换器两部分组成，借助光电传感器技术检测皮下组织中的血液容积变化从而得到的脉搏波。动脉血管容积随心脏的搏动而周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是心率[6]。根据取光的路径不同，光电容积法可分为透射式和反射式检测[7]，为保证使用方便，本文采用反射式监测法进行设计。

2.2 纽扣式心率传感器

光源选取对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的波长段为500～700 nm的发光二极管[8]。因为波长为560 nm的波能反映皮肤浅部微动脉信息，适合提取脉搏信号；并且在指端或桡动脉处使用压力或光电传感器采集不仅会对使用者带来不适，还极易因运动对信号质量造成影响；为了方便佩戴并提高可靠性，选用传感器采集耳垂处的心率信号。由于脉搏信号的频带一般在0.3～20 Hz，信号幅度在毫伏级，容易受到各种信号干扰[7]。因此需要将信号通过低通滤波电路和信号放大电路，才能得到较为理想的心率信号。

图2为纽扣式心率传感器电路设计图，图3为纽扣式心率传感器的实物和实际测量时传感器位置。该系统中传感器的光源是峰值波长为515 nm的绿光LED灯，感受峰值波长为565 nm APDS-9008光接收器，两者的峰值波长相近，保证灵敏度。APDS-9008端输出心率信号为7.6 mV交变电压信号，经过整流滤波后和MCP 6001 芯片放大330倍后，输出信号为峰值2.6 V的交变电压信号，传感器信号测试波形如图4所示，进一步由微处理器Atmega328进行ADC采集和处理。

图2 纽扣式心率传感器电路

图3 纽扣式心率传感器的实物和实际测量位置图

图4 传感器信号测试波形

2.3 微处理器Atmega328处理模块

选用微处理器Atmega328进行数据进一步处理，借助Arduino平台，它简单且实用性很强，简单易懂的编程语言，只需要对接口进行操作，极大地降低了开发难度，提高了设计开发效率并且价格便宜[9]。选择Arduino控制板可以通过简单的导线连接及外部电源供电并给传感器提供5 V电源，有效地解决了传感器供电问题。

图 5为心率监测系统硬件系统原理图。本系统将纽扣心率传感器输出的心率信号直接送至Atmega328的ADC模块，具体连接是将纽扣式心率传感器的Vcc、GND分别与Arduino控制板上5 V、GND相连，纽扣式心率传感器的信号输出端S管脚与Arduino板的模拟输入端相连。在IDE中编写程序心率计算程序，编译正确后，用USB数据线将程序上传到Arduino控制板后，程序便会在Arduino板工作。最终将该微处理模块做成胸针形式，小巧易于携带，能实现长时间实时心率监测。

图5 硬件系统原理图

对于心率监测系统中微处理器Atmega328进行数据采集和心率计算算法的调用，就可以实现数据的ADC和心率数值的计算，将处理后数据传递到蓝牙模块。微处理器Atmega328处理数据流程图如图6所示。

图6 微处理器程序流程图

2.4 蓝牙模块

采用蓝牙传输数据，既摆脱了短距离内有线的束缚，又增加了使用的灵活性。本系统选取了HC-05蓝牙模块[9-10]。在此处将与Arduino板相连接蓝牙模块设置为主机模式，与PC机相连接的蓝牙模块设置为从机模式。将蓝牙模块设置成从机模式:在蓝牙模块KEY引脚高电平状态下，通过USB-TTL转接板，实现蓝牙模块和电脑USB接口间的连接，借助串口调试助手发送AT指令进行相应修改。设置完毕后KEY引脚悬空即可。

将HC-05蓝牙模块的V+、GND、TXD(串口发送引脚)、RXD(串口接收引脚)分别与Atmega328的的3.3 V、GND、RXD、TXD引脚进行连线，实现无线串口的功能将数据发送出去。系统中与蓝牙连接的PC开始接收数据。

3 软件设计

由Arduino控制器构建性价比较高的下位机，简单且容易上手；由LabVIEW软件构建的简单易用的上位机软件，前者负责采集数据和输出执行的任务；后者负责显示与处理，即可实现两者的功能互补[8]。LabVIEW中有专门对Arduino进行控制的工具包LabVIEW Interface for Arduino (LIFA)，在NI VISA驱动下，可以快速完成Arduino端口控制以及传感器数据采集和控制[11-12]。但官方工具包的函数库中传感器型号有限[13-14]，而系统设计选取蓝牙串口方式传输数据，因此通过蓝牙驱动管理软件生成虚拟串口供LabVIEW使用[15-16]。可供使用者的长时间监测和分析，适用于日常家庭生活，有较好的使用价值。

系统采集控制数据的流程如图7所示。LabVIEW的前面板主要功能包括：测试者信息的输入，心率监测图形实时的显示，平均心率显示，测试结果语音提示，语音报警，测量结果上传，上传成功后自动建立该测试者的数据库，在高级选项中显示近期数据的图形，可以很好地观察近阶段身体健康趋势。图8 是LabVIEW心率采集和显示部分的程序框图。

图7 LabVIEW程序流程图

图8 LabVIEW心率采集和显示程序框图

4 测试结果与分析

图9显示了上位机LabVIEW前面板的心率监测实验图，实现了测试者信息输入，测试心率图形的显示，现在心率测试值以及读取历史数据，长时间高级分析等软件功能。

(a)系统硬件图

(b)心率监测实验图

测试结果表明，研制的心率监测系统测试结果与人工测量完全符合。在恒温20℃的环境下，对5 名受测人员使用心率监测系统进行多次重复性心率测试，同时采用人工方法对相同对象脉搏进行测试，测试结果见表1。人工测试由于起始和结束时间的掌握差异，在1 min内最多也就相差了2次。因此该心率监测系统的误差<2%，是可以接受。以人工测量为实际心率值，设计的心率测试为待测试，对其进行多次重复测试，结果表明心率监测系统工作稳定，测试重复性好。

表1 测量结果与实际心率比较

5 结 语

心率计作为常用的医学设备，能长时间实时准确监测心率，将在家庭生活和临床医学等方便具有广泛的应用。而使用光电容积法获取心率信号，使用更为简单方便，易于携带，可以像佩戴饰品一样；同时运用蓝牙技术，将Arduino和LabVIEW结合起来，使心率测量装置能够长时间实时通信、记录心电波形、绘制近期心率趋向图、建立数据库、存储海量数据，能更加有效监测测试者身体状态，尤其适用于日常家庭生活，有较好的使用价值。

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Research and Implementation of a Button-type Wireless Heart Rate Monitoring System

HUAChen-hui1，WANGXiao-fei1，SHAOHai-ming2，DINGJun-hao1，LUKai1

(1. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China; 2. Electromagnetic Institute, National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

To improve the poor flexibility and functionality of the heart rate measurement systems, a button-type wireless heart rate monitoring system is presented. In this system, the button sensor is closely related to photo plethysmography (PPG) used to collect date about heart rate and pre-process the signals. Microcontroller chip Atmega 328 is used as a core to compute ADC and heart rate and transmit the data to LabVIEW via the bluetooth. Finally, the software of the heart rate monitor is responsible for real-time receiving and monitoring of heart rate signals for a long time. Five persons were selected to test the performance of the heart rate monitoring through repeatedly test by using heart rate monitoring system and artificial method, respectively. The error of heart rate monitoring system was less than 2%. The results show that the system is reliable and realizes the functions of voice prompt, voice alarm, database building, massive data storage. It also has the characteristics of small size, good flexibility, cheap cost, multiple functions, and can be used for long time monitoring and analysis for the users, which has good application prospects in daily life.

button sensor; heart rate monitoring; bluetooth; LabVIEW

2016-05-13

北京信息科技大学校级研究生科技创新项目；北京信息科技大学校级传感技术课程建设项目资助(2016KGYB12)

华晨惠(1990-)，女，安徽宿州人，硕士生，主要研究方向：电子测量技术。Tel.:13691042141;E-mail:hchenhui@yeah.net

王晓飞(1965-)，女，辽宁鞍山人，博士，教授，主要从事生物医学工程及仪器、电子测量技术的研究。

Tel.:13661211927;E-mail:wangxiaofei@bistu.edu.cn

R 318

A

1006-7167(2017)01-0065-04