具有蓝牙低能耗特性的无线心率检测器

石盼　金豪祎　孙京文

【摘 要】针对现有心率检测器体积大，携带不便等不足，使用了TI公司的AD8232芯片，分析了如何用其提取生物电信号，采用STM32作为微控制单元处理生物电信号，最后将信号传给显示屏显示波形和心率等参数，数据还可以通过蓝牙进行传输，方便了后续手机APP开发设计。实验结果表明，该检测器不仅可以实时监测人体的心电信号，而且功耗低，成本小，具备无线数据传输功能。

【关键词】心率；检测；STM32；低功耗；蓝牙

心血管病是国民第一位死亡原因，其高发病率、高患病率、高死亡率以及高疾病负担特点，已经成为我国面临的重大公共卫生问题[1-3]。中国正面临着越来越严重的老龄化，在年纪大的人群结构中心血管病的发病率也越高，加上严重失调的人医比例，解决问题迫在眉睫。监护仪是一种24小时连续监测病人的生理参数，检出变化趋势，并与已知设定值进行比较，检出变化趋势，指出临危情况，供医生应急处理和进行治疗的依据，使并发症减到最少达到缓解并消除病情的目的[4-5]。本设计利用TI公司最近推出的AD8232心电信号处理芯片，配合高性价比的STM32单片机，实现了心电信号的采集及信号处理，检测器使用低功耗OLED显示屏显示心电波形，并采用蓝牙4.0传输模块将数据上传到电脑上位机软件进行显示。

1 方案设计

本次研究的心电监护仪能实时的显示波形，并通过蓝牙将心电数据传给上位机，在上位机上同时显示心电波形。方案设计原理框图如图1所示。

整个方案可分为以下几个模块：

1）心电采集模块：采用了3导联的标准导联I方式，在做前端心电的滤波、陷波等采用了高度集成化芯片AD8232。

2）心电信号处理模块：采用了STM32F103做MCU，主要完成了心电数据的A/D转换、软件滤波、OLED显示、蓝牙传输。

3）蓝牙传输模块：采用了蓝牙4.0功能的低功耗的HC-05蓝牙主从一体机模块，具有传输速度快、稳定，而且功耗低的优点。

2 硬件设计

2.1 心电采集模块

AD8232中的仪表放大器设计用于施加增益并同时滤除近直流信号。这使得它能够将微小ECG信号放大100倍，同时抑制高达300毫伏的电极失调。为实现失调抑制，应在仪表放大器的输出端、HPSENSE和HPDRIVE之间连接一个RC网络，如图2所示。

2.2 蓝牙传输模块分析

本次研发选用了HC-05蓝牙主从一体机模块。HC-05是一款高性能的蓝牙传输模塊，采用的是CSR主流蓝牙芯片BC417143，支持蓝牙V2.0协议标准，串口模块工作电压3.3伏，工作电流在配对时为30毫安，但在配对完成后在通信中电流降至8毫安，具有低功耗性能、尺寸小、抵抗干扰的能力强等优势。支持的蓝牙带宽宽，可以与蓝牙笔记本电脑、PDA等支持蓝牙2.0协议的设备进行无缝连接。HC-05主要应用于民用，包括一些汽车电子、智能家居和可穿戴式设备。如图3所示。

3 软件设计

STM32F103RBT6内部集成的12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器，通道多达18个，可以测量16个外部和2个内部信号源，这些通道的A/D转换可以单次、连续、扫描、间断模式执行，ADC的结果数据以左对齐或右对齐的形式保存在16位的数据寄存器中。ADC的输入时钟由PCLK2经分频产生，其时钟频率不得超过14兆赫兹。本次研发ADC模块数据主要通过DMA（直接内存存取）从心电数据缓存区ECG_DATA_buf中读取。ADC程序设计流程图如图4所示：

4 实验测试

在心电采集模块测试时将心电采集模块上的RL、RA、LA分别与心电模拟仪RL、RA、LA通过导联线相连，将心电采集模块的输出端与MCU核心板的心电模块预留接口相连，通过OLED能正常显示心电。如图5所示。

如图6所示为整体测试产品图：

5 结论

针对现有心电监护仪存在的不足及其实际要求，使用集成AD8232心电信号处理芯片实现心电的采集经微控制器STM32处理传到OLED显示，并采用蓝牙4.0传输模块将心电信号数据上传到电脑上位机软件进行显示。本次研发的心率检测器实现了低功耗，便于携带且可以蓝牙无线传输等优点，将其用于实际生活中取得了较满意的效果。

【参考文献】

[1]孙伟，王小伟.心电监护仪操作与维护保养的临床指导[J].医疗装备，2015，27（9）：72-73.

[2]薛诗静，高帅锋，周平.可穿戴式心电监护系统设计及实现[J].中国医疗设备， 2015，30（1）：6-9.

[3]梁金玉，杨巍，郭胭脂.新型心电监护仪设备管理带的研制与临床应用[J].重庆医学，2016，45（22）：3127-3128.

[4]李红利，刘元建，张荣华，等.基于无线传感器网络的社区心电监护系统设计[J]. 天津工业大学学报，2015（1）：64-67.

[5]吴兆强，彭龑，宋光珍.基于Android的便携式心电监护系统设计[J].科技通报， 2016，32（6）：51-56.

[责任编辑：田吉捷]