智能心率监测系统的设计

刘宇红　李月婷　何国锋　姜成旭

摘 要： 设计一款智能心率监测系统，主要应用于老年人和中年人的智能穿戴领域，其便携式的心率测量使用方便。采用反射式光电传感器作为前端信号采集，将得到的信号进行转换和数字滤波，经过心率计算后得到的数据无线传输给监控终端，可实现智能化和网络化的实时监测。当接收到的心率测量数据不在人体心率安全范围内时，系统会启动报警，可及时避免突发疾病因时间耽误急救。该系统设计经过多种运动状态试验对比，表明此设计的智能心率监测系统具有稳定性、高精度和可行性。

关键词： 反射式光电传感器； 智能穿戴设备； 高精度数字滤波； 信号采集

中图分类号： TN931+.3?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）20?0117?04

Abstract： An intelligent heart rate monitoring system is designed， which is mainly used in the intelligent wearable fields of the elderly and middle?aged people， and is convenient for portable measurement of heart rate. The reflective photoelectric sensor is used to acquire the front?end signal， then the transformation and digital filtering are performed for the received signal， and the data calculated with heart rate monitoring system is transmitted to the monitoring terminal in the wireless form to realize the intelligent and networked real?time monitoring. If the measured heart rate data received by the signal acquisition module is out of the security scope of human heart rate， the system will start the alarm to timely prevent the delay before the first aid of paroxysmal disease comes true. The experimental contrast was conducted for the system design with a variety of motion conditions. The experimental result shows that the intelligent heart rate monitoring system has high stability， high accuracy and strong feasibility.

Keywords： reflective photoelectric sensor； smart wearable device； high?precision digital filtering； signal acquisition

0 引 言

近年来随着生活水平的提高和生活压力的增大，人们开始更加关注自身健康状况，智能穿戴产品已进入大众生活，市面上出现各种测量身体生理参数的智能穿戴产品，但多数对运动量和睡眠进行监测，其显示人体的健康情况意义并不是很大。老年人的发病率远远超过年轻人，发病的主要原因是生理的基本参数没有得到及时的监测，其心率作为最重要的生理参数，将成为可穿戴设备中的必要功能。可穿戴设备可将对人体监测的数据发送至监控终端，及时观察人体的健康情况。

目前医院测量心率仪器分为非携带式和穿戴式两种。非携带式仪器可以准确地监测出人体的心率参数，但对于日常生活中不方便使用；而可穿戴式使用起来不便于使用者的正常生活。本文主要研究便携式心率监测系统，通过远程通信传输给亲属或社区医院，以便时刻观察使用者的情况。心率所呈现出的综合信息在很大程度上可以反映出许多生理疾病，通过心率信息判断出心率输出量、算出休克指数和估计出心肌耗氧数。

本文设计采用的是反射式光电传感器作为前端数据采集装置，传感器本身具有低功耗、使用便捷等特点，外围电路设计有信号转换、放大电路和数/模转换等，实现了脉搏信号采集、信号转换和数/模转换等功能[1]。通过对比几种滤波算法的去除噪音的效果，本文选擇最优数据滤波和心率算法处理，从而消除脉搏的信号杂质。本文主要通过研究前端信号采集、信号转换、数字滤波、算法处理和数据远程传输来完成整体系统设计。

1 系统结构设计

利用人体生物组织在血液搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量，根据这一特性实现对于脉搏信号的采集[2]。其脉搏测量具有多种方法，但得到稳定数据的关键是滤波处理和算法处理这两个关键性过程。本文采用光敏传感器和外围电路结构设计，简化了系统数据采集前端电路的设计。系统结构设计如图1所示。

本文系统硬件结构设计通过独立式模块展示，整体结构主要采用了前端信号采集模块、微处理器模块、串口通信模块、Socket无线网络传输和监控终端进行的整体融合设计。其脉搏采集模块作为前端，因手指指尖处血管丰富，测量时可采用指尖，主要根据脉搏血液流动产生的容积变化，会随着人体心脏呈现周期性的动态变化，当心脏收缩时，血液容积会变大，心脏舒张时，血液容积会变小，根据血液容积的周期性变化来反应采集脉搏信号的周期性变化。

本文系统软件结构设计通过微处理器STM32将采集到的信号进行信号转换、数/模转换和数字滤波等处理，再将得到的稳定数据通过软件设计的心率计算出此时使用者的心率值，通过Socket无线通信将数据远程传输给监控终端，得以观察使用者的实时心率情况。

2 系统硬件设计

本文系统硬件设计主要包括主控制芯片STM32，前端心率读取模块，两者之间主要通过SPI通信连接，通过数据同步串行传输实现数据读取和处理功能等作用。

2.1 前端数据采集

本文前端数据采集应用的是光敏传感器，外围设计具有A/D转换的低噪声接收通道、LED发射装置、内部监测的诊断功能、低抖动时钟、外部晶振提供的振荡器和SPI接口与外界连接。本文设计在血氧信号采集过程中，应用模块独立式的解决方案，将信号转换、放大电路和滤波处理作为人体心率参数的前端信号采集模块，不仅可以得到稳定数据，还可以减少系统功耗，延长整体系统使用时间。该方案满足便携式心率计低功耗、体积小的设计，心率读取模块内部结构图如图2所示。

2.2 主控部分

微处理器主控芯片采用的是STM32，其本身具有高性能、低功耗和低成本等特点[3]。在整体设计中，MCU主要对前端采集模块的数据读取后，进行数/模转换和数字滤波，通过算法计算出此时人体的心率值，再将数据通过Socket无线网络传输给手机APP或者上位机。

3 系统软件设计

本文软件设计主要研究工作是对前端采集到的数据进行滤波处理、计算出心率值和远程传输数据。其根据嵌入式系统主要由通信进程、虚拟文件、外端接口和内存管理等部分组成，选用Keil作为开发环境，可加快后续开发和软件仿真等工作。当系统上电时，使各个模块程序进入初始化，前端采集到的数据进行数字滤波，并对滤波后的数据进行心率计算，计算出此时使用者的心率数值，将数据通过Socket无线网络传输给监控终端，以便记录和观察使用者的心率数值。系统软件流程图如图3所示。

3.1 数字滤波

在前端数据采集过程中，易受到外界环境和测试者本身的影响，单一的数字滤波无法真正做到去除大量杂质。人体心率频率在0.5～2 Hz，本文通过对比多种滤波处理方法去除杂质情况，最终选取低通滤波器和高通滤波器共同进行滤波，滤波的具体算法如下：

3.2 心率计算

在不同年龄阶段，有不同的心率测试标准范围，在使用之前，应先设置使用者的年龄和性别，然后进入初始化状态，开始测试心率信号。本文截取一段时间内的心率信号进行计算，当手指刚接触传感器时，会由于触碰姿势或手误错按传感器导致测试数据不准确，因此去除前3 s脉搏数据后，在测量心率信号时，至少会出现一次波峰，心率异常者出现的波峰值较多。本文通过定义幅值函数和时间函数，计算出幅值中的信号点，即为单位时间内的心率值。首先定义幅值函数，如图5所示的幅值分布函数为：

再将得到的數据进行不同性别和年龄阶段的分析，本文设计主要针对老年人、中年女性和中年男性。当所测得数据不在心率安全范围时，会将数据发送给上位机并警报；当所测得的数据在心率安全范围时，直接传送给上位机。这样可以方便使用者或医务人员将心率值作为参考，同时也可以时刻关注使用者的健康状态，避免一些突发疾病发生。通过电脑端串口助手观察出此时的人体心率如图7所示。

3.3 远程数据传输

本文需要通过双向Socket通信进行远程数据传输，实现数据间的相互作用，实现服务器端一直监听网络端口。当数据发送请求时，服务器端会自动开启服务进程来响应这个请求，同时服务器继续监听网络端口，可使后来的数据请求能及时得到回应，数据传输过程中使用TCP，IP和UDP三种协议。本文采用TCP协议。

当Socket进行远程数据传输，调用Bind函数对Socket配置本地信息，建立Connect函数与Socket网络连接，以便随时监听端口的服务请求信息，当面向客户端连接时，建立一个TCP协议进行远程数据传输，其中recv（）和send（）两个函数在Socket上远程传输数据。将send（）实际发送数据返回值与欲发送数据进行比较，当返回值与len（）函数不匹配时，应进行如下处理：

4 实验测试

本实验随机选取3名实验者分别以3种运动状态进行测量对比。为了得到准确数据，在试验前让3名试验者放松心情、保持稳定情绪。当试验者完成每一个动作时，用标准的医疗设备和本文设计同时对试验者测量对比，记录数据，分析对比本文设计得到数据的准确性，计算出心率数值的误差，对比本设计的准确性。硬件系统的操作结果如表1所示，由实验得出，该心率计的监测准确度极高。

5 结 论

本文设计根据光敏传感器设计的心率读取模块进行前端数据采集，外围电路设计具有信号转换、放大电路和数/模转换，但对于测试过程中，人体本身和环境影响会对心率信号产生干扰信号，通过低通滤波器和高通滤波器后得到稳定数据，然后计算出的心率值发送给远程监控终端。本文设计模块可放置于任何智能穿戴产品中，整体系统具有功耗低、体积小和性价比高的优点，经过多次试验对比，验证了本文设计的可实用性和有效性，为智能穿戴领域心率产品研究提供了基础。

参考文献

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[3] 于巍，古庆恩，李信政，等.无创伤脉搏血氧饱和度测量技术及进展[J].医疗设备信息，2007，22（9）：49?52.

[4] 张彬.基于脉搏波的血氧饱和度检测算法研究[D].北京：北京交通大学，2009：46?48.

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