基于北斗定位技术的远程心率监控系统设计

汤 洋，邱云翔，刘承达，齐海兵

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)



基于北斗定位技术的远程心率监控系统设计

汤 洋，邱云翔，刘承达，齐海兵*

(湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003)

设计实现了一种基于北斗定位技术和STM32F103的远程心率监控系统。系统主要由心电信号采集和处理模块、TFT触摸屏、北斗定位模块、GSM模块等组成。心电信号采集由压电陶瓷片的正压电效应实现，经过仪表放大器放大后，通过多回路负反馈滤波电路，获取频率范围为0.3～3 Hz的心电信号。显示模块采用TFT触摸屏，可以显示日期、时间、心跳次数、经度、纬度信息等内容。北斗定位模块获取用户所在的地理坐标，GSM模块将健康信息和地理位置信息以短信的形式发送给用户的监护人和医生，从而实现远程心率监护。

心电信号；北斗定位；GSM模块；STM32F103

随着生活条件的改善，人们对生活质量有了更高的追求。老人由于退休后时间较多，纷纷选择户外运动，比如跳广场舞、旅游、晨练、散步等，长时间户外运动使心脏的负荷加大，而且很多老人本身心脏或多或少存在问题，这种情况下就容易发生危情，比如心脏病复发、昏阙等，若没能及时得到救治，很有可能会导致重大危险。

远程心率监控系统要求能检测心率是否正常，快速将病情程度、地理位置等相关信息传送给医护人员和亲人，以方便救援人员及时救护[1]。传统的测心率设备过大，不方便老年人随身携带。当今部分远程心率监控系统仅能及时可靠地发送心率信号至医院，并将诊断信息反馈给病人[2-3]。但是当出现紧急情况时，病人的地理位置信息可能更为重要。本设计采用国产北斗定位系统，在病人发生紧急情况时启动北斗定位，感知老人所在地理坐标的经纬度，并将该经纬度信息和健康状况通过GSM模块以短信方式发送给老人的子女和医生，使之可以得到及时的救治。平时当老人心率不齐超出正常值时，系统会发出声光报警和语音提示。此外本系统带有数据存储功能，可以记录老人的心率信号数据，方便医护人员分析和制定相应的医疗措施。

1 系统总体方案

系统整体框图如图1所示。系统核心为Cortex M3内核STM32F103单片机，通过压电陶瓷片的压电效应感知脉搏的跳动，经过放大和滤波处理，获得心率信号；北斗定位模块对用户进行定位，获取用GSM 模块sim900a传送的用户心率信息和经纬度地理坐标信息；TFT触摸屏显示心率信号波形和经纬度信息；SD卡保存用户的心率波形数据，医护人员可根据这些记录的信息进行相应分析，实现远程心率监护。

2 北斗卫星定位系统

北斗卫星导航系统(BDS，下称“北斗系统”)是中国自主创新的重大成果，具有三大功能、五大优势。三大功能：

1)快速定位：北斗卫星导航系统可为服务区域内用户提供全天候、精度高、快速响应、实时定位服务。

2)简短通信：北斗卫星导航系统客户终端具有发送和接收数字报文通信能力，可以一次传送超过100多个中文信息。

3)精密授时：北斗导航系统具有单向和双向2种授时功能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度。

3 电路设计

3.1 心率信号采集和处理

心率信号采集和处理框图如图2所示。

压电陶瓷片是一种电子传感元件，在2片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在2片电极上接通交流音频信号时，压电片会根据信号的频率大小发生振动而产生相应的交流信号。压电陶瓷片由于结构简单、造价低廉，被广泛地应用于电子电器等方面，如：玩具、发音电子表、电子仪器、电子钟表、定时器等。压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动信号转换成电信号。

利用压电陶瓷片的正压电效应检测脉搏振动，获取心率信号。由于心率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[4]，很容易受到外界干扰，需要进行相应的放大、滤波处理，发送给单片机处理前还需要进行整形处理，转化为方波，单片机检测一个周期时间就可算出1 min心跳次数[5-7]。

3.2 GSM模块的通信与设计

GSM模块采用sim900a通信模块，使用增强型AT指令， AT 即Attention的简称。AT指令集是从终端设备(Terminal Equipment，TE)或数据终端设备(Data Terminal Equipment，DTE)向终端适配器(Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备(DCE)发送的一种指令方式，一般应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信。其对所传输的数据包大小有定义：即对于AT指令的发送，除AT 2个字符外，最多可以接收1 056个字符的长度(包括最后的空字符)。

每个AT命令行中只能包含一条AT指令；对于由终端设备主动向PC端报告的URC指示或者response响应，也要求一行最多有一个指示，不允许上报的一行中有多条指示或者响应。AT指令以回车作为结尾，响应或上报以回车换行为结尾。GSM模块采用通用异步/同步收发器(USART)通信协议与STM32F103通信。

3.3 北斗定位的通信与设计

利用北斗一代通信卫星RDSS载荷进行通信，模块集成了RDSS射频收发芯片、功放芯片、基带电路等，可完整实现RDSS收发信号、调制解调全部功能；一体化设计，具有小型化、低功耗的特点；全天候的定位导航和双向报文通信功能； 支持BD/GPS双模工作，保证定位结果准确； 集成化程度高，RDSS模块、RNSS模块、GPS模块及天线融于一体。北斗二代基带芯片设计实现突破了微弱信号快速军码直接捕获技术、BD/GPS系统民码高灵敏度捕获技术、高精度兼容型相关通道技术、SoC芯片软硬件协同开发技术等多项关键技术；多款导航终端开发过程中突破了多系统兼容定位技术、失锁快速重位技术、多系统兼容完好性监测技术、军码信息高效处理技术、小型化低功耗整机设计技术、整机电磁兼容技术等多项关键技术。

4 软件设计

4.1 主程序设计

程序流程框图如图3所示。系统启动后分为2个模式，一个模式是进入心率检测模式，另外一个模式为健康查询模式。医护人员可以查看系统所记录的心率信号的数据波形，对这些记录的波形进行相应的分析。系统默认的是心率检测模式，将检测到的波形和心跳次数显示在TFT触摸屏幕上，用户可以直观地看到自己的健康状况，另外用户也可以选择是否保存此处检测的波形数据。若检测到用户心率不正常，则通过声光提示用户注意适当休息，隔2 min后再次检测；若检测发现仍不正常，则启动北斗定位系统，获取用户的经、纬度地理坐标，通过GSM模块发送地理信息和健康状况。用户的子女或者医生可以及时地获知并快速地找到用户，给与用户适当的治疗。

4.2 短信提取定位信息

传统的手机短信发送和接收方式是按照协议规定把短信打包，包内包含短信内容、目的地号码、编码格式、类型等信息，然后发送给基站，基站收到数据包后，把它转发给短信中心，短信中心再根据短信的目的地号码派发给此号码所在的基站，基站再发给手机终端。手机终端收到短信后按照协议规定的格式解码，然后提示用户收到短信。

近年来，服务提供商(Service provider, SP)提供了一种新的短信发送功能，用户通过申请SP的测试账号，并下载对应的Linux操作系统的程序接口，通过注册可以成为短期合法用户。但是这种方式在读取短信定位时还需要在底层完成一系列提取工作。

如接收到的定位短信为： $BDGLL,3012.731972,N,11500.976624,E,000024,000,V,N*52

该内容显示当前定位信息为：北纬(N)30°12.731972'；东经(E)115°0.976624'。然而百度或者谷歌里面定位是以“度”为计量单位，所以还需要将上面定位数据中的“分”换为“度”。

如上面12.731972÷60=0.21219953;0.976624÷60=0.0162770666。转换后的数据为：东经(E)115.0162770666°,北纬(N)30.21219953°。

在百度地图API页面，选择“工具”菜单中的“坐标拾取工具”，进入坐标反查模式。输入上面的数据即可得到对应的定位地图。

5 系统实现

采用压电陶瓷采集并经滤波放大处理后的心电信号波形如图4所示。STM32F103通过捕获模式检测信号的周期，60 s除以这个周期即是1 min心跳次数。

手机收到的定位短信如图5所示,将收到的数据输入百度地图坐标反查，实现了心率信号采集处理和短信定位功能。

6 结论

本设计利用北斗定位技术实现了心率信号的采集、处理和地理位置的短信发送功能，较好地完成了各部分的功能要求。但是本设计还存在一定的问题，如便携式方面还需进一步地改进，位置提取操作还较复杂。应设计针对手机的专用软件(APP),还可针对老年人特点采用语音播报心率等健康信息。

[1] 岳蜀华，王美涵，郭飞，等.可穿戴式无线心电监测仪的研究现状[J].生物医学工程与临床，2006，10(4)：262-266.

[2] 苏成臣，艾信友，肖彬.远程心率监护系统的设计[J].医疗设备，2011,24(1)：21-23.

[3] 张晓林，李赓，刘承桥，等. 远程心率监护及急救系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015, 15(9):29-31.

[4] 邓泽霞，杨浩.心电信号滤波器的设计[J].医疗卫生装备，2008， 29( 4):56-57,59.

[5] 闫庆广,尹军,何庆华,等.基于MSP430单片机的无线光电容积脉搏波检测模块[J].半导体光电,2012,33(2):299-302.

[6] 卢超,潘宏利,卢进军,等.无线脉搏测量仪的设计[J].电子设计工程,2012,20(15):89-93.

[7] 杨玉芳,熊继平,谭黎.基于单片机的光电脉搏检测系统[J].仪器仪表学报,2011,32(6):100-103.

(责任编辑 吴鸿霞)

Design of Remote Heart Rate Monitoring System Based on Beidou Positioning Technology

TangYang,QiuYunxiang,LiuChengda,QiHaibing*

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

A remote heart rate monitoring system based on Beidou positioning technology and STM32F103 is designed for the outdoor patient,whose location and condition such as an irregular heartbeat can be timely sent to the rescuer.It is mainly composed of ECG signal acquisition and processing module,Beidou positioning module,GSM module and TFT touch screen module.The ECG signal is firstly acquired by the positive piezoelectric effect of piezoelectric ceramic plate,and then amplified by the instrumentation amplifier,finally the frequency range 0.3～3 Hz of ECG signals are obtained through multi-loop negative feedback filter circuit.The TFT touch screen module can display the date,time,the heartbeat,latitude and longitude information,etc.The Beidou positioning module can get the user's geographic coordinates of the users.At last the GSM module sends the user's health information and location information to guardian and doctors in the form of text messages,so as to realize remote heart rate monitoring.

ECG;Beidou positioning module;GSM module;STM32F103

2017-03-08

湖北省青年教师深入企业行动项目(项目编号：XD2014674)；大学生创新创业训练计划项目(项目编号：201510920009)。

汤洋，本科生。

*通讯作者：齐海兵，教授，博士，研究方向：光电信号、信息处理。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.004

TN98

A

2095-4565(2017)03-0014-04