可穿戴式远程心率监测系统设计

秦宏伍，孙 楠

(1.长春大学 电子信息工程学院； 2.长春光学精密机械与物理研究所 机械电子工程研究室， 长春 130022)

心率是人体生理研究和临床医学上最为常见的测量参数。随着可穿戴医疗类设备的兴起，已经出现用来测量心率的监测设备，能让拥有此类设备的用户随时随地测量心率。目前，关于心率监测的可穿戴设备品类繁多。不过，从功能上看，这些设备充其量也就是提供碎片化的数据记录，离实质性的健康服务还相差甚远。随着人们对健康问题的日益关注，如何长期有效地对个人健康进行监护和管理成为社会关注的焦点之一。穿戴式的健康信息感知终端可以在不经意间，在不影响日常生活的情况下，将用户的健康信息、生理指数进行采集并传递到云端，建立起完善的健康记录，为每一个移动用户提供丰富的健康服务。

1 总体设计方案

本次设计的可穿戴式设备由STM32系列微控制器，利用心率传感器模块研究人体心率指标的数据测量。附加以有害气体传感器以及温湿度传感器为核心的外界环境监测，增加人机交互界面，实时对所采集的数据参数进行显示。配合GPS定位模块+GPRS无线通信模块，实现了对穿戴者的安全定位。即当所测得穿戴者的人体生理指标数据超出预设的范围时，能够及时地向监护人发送提示短信。并实时将数据通过无线网络发送至远程监测平台，通过智能医疗监测设备实现对穿戴者情况的同步显示，以便工作人员及时分析穿戴者的健康状况和所处环境。从而及时得到远程健康提醒，实现健康的双重保护。系统框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 STM32F103ZET6最小系统设计

STM32中央控制器的主要功能是将测量模块测得的数据进行处理和分析，并通过无线通信模块发送给终端服务器，通过算法程序实现整个系统的控制。STM32控制器具有很强的数据处理能力，并且有足够大的存储器对数据进行存储。另外，中央控制器和终端服务器之间要通过网络进行通信，控制器要实现网络功能的扩展，再考虑到价格、功耗以及稳定性，最终选择了STM32F103ZET6作为中央控制器的处理器。

主控芯片STM32F103ZET6是基于Comer-M3架构32位的RISC内核微控制器，是STM32系列中的性能增强型产品。具有强大的内部集成资源，以及丰富的外设接口，具有较高的代码编写效率，普遍使用的8、16位控制系统的程序存储空间上释放了ARM内核的高性能，能够很好地实现本课题的相关要求。

2.2 心率模块电路

MAX30102心率模块供电电压为1.8V～5.5V。心电信号的采集硬件主要有增益、输入阻抗、共模抑制比和频率特性这些指标。为此，需要对采集硬件电路的这些指标进行测量。该模块主要用到了滤波和放大两部分电路。光电测量法容易受到其他电子设备引起的电压波动和噪声，首先需要进行滤波。滤波后的信号采用低功率运算放大器。采用这种控制方式可以大大降低整个心率传感器模块的功耗。模块与主控芯片的通信方式为I2C通信，该模块电路原理图如图2所示。

图2 MAX30102心率模块原理图

2.3 A7模组(GPS+GSM+GPRS)电路

图3 A7_MODULE接口电路图

A7模组(GPS+GSM+GPRS)工作电压为5V，由USB供电实现。A7_MODULE包括42个引脚，需要接入相应的外围电路才能工作。外围电路主要有电源管理电路、启动电路、串口通信电路等。本设计仅用到了电源管理电路、启动电路、串口通信电路、SIM卡电路和指示灯电路。该模块所有的硬件接口通过一个ZIF连接插头对外引出，使得系统的硬件电路部分的设计更加方便简洁，其50欧阻抗的天线和SIM卡座都可以很方便得连接到该模块上。A7_MODULE接口电路如图3所示。

3 软件设计

3.1 软件开发平台简介

STM32单片机程序是在Keil uVision4 MDK集成开发环境中开发进行的，使用KeiluVision4C编写程序，对单片机系统进行控制，包括源代码的编写、编译和链接，并最终生成可执行文件下载到单片机中。

Keil uVision4 MDK集成开发环境如图4所示。

图4 MQ135 Keil uVision4 MDK集成开发环境

3.2 软件总体设计

监护系统除了硬件电路以外，软件部分的设计也是关键。本系统软件部分采用前后台的设计思路，前台部分是软件的主程序，后台由中断服务程序组成，主要包括串口接收中断服务程序，定时器中断服务程序等。

系统主要工作流程如下：利用心率传感器、GPS定位对穿戴者的信息进行采集，并将采集到的数据送到主控进行处理，通过计算程序控制GPRS模块，从而驱动GPRS模块向手机终端发送短信提醒，并向医院服务中心发送数据，以达到监测的目的。主程序流程图如图5所示，在main函数中实现。中断服务处理子程序如图6所示。

图5 主程序流程图

图6 中断服务处理子程序图

3.3 A7模组软件设计

主控芯片STM32利用串行口与A7模组进行通信，通过模块特有的AT指令实现其功能控制，A7模组自身的反馈机制可以使我们清楚地获知发送的指令是否被正确执行。GSM发送短信流程如图7所示。

心率数据的无线远程传输是由单片机通过串口通信控制A7模组来完成。在模块初始化的过程中，我们已将波特率选择为125600，8位数据位，1位停止位，无校验位。A7模组在进行数据传输之前，要与网络建立连接，主要由A7模组中的GPRS通讯实现。GPRS首先要和电脑服务器建立TCP通讯，具体的数据传输流程如图8所示。

图7 GSM发送短信流程

图8 心率数据传输流程图

4 系统性能测试

4.1 心率监护的短信功能

本课题设计的远程无线心率监护系统样机完成以后，还必须进行进一步的验证与完善，确保其准确性和可靠性。定义主界面“保存”按钮的功能，即将当前的心率数值作为一条记录进行保存。同时设置不同的范围完成短信息服务，部分心率数据短信测试结果如图9所示。

图9 心率数据的短信息提示

4.2 远程服务器监护软件的测试

远程服务器监护软件的测试中用到了内网映射技术，其中，用到了 “花生壳”软件，花生壳会分配我们一个外网访问地址。然后在自己电脑上建立一个服务器和一个客户端，看能否进行正常通讯，只有完成了互相发送数据，才可以进行GPRS模块收发数据。A7模块在A6的基础上增加了GPS功能，应用GPS功能实现了对应用人员的定位功能。运行软件能够实时显示率数据和应用人员的经纬度信息，如图10所示。

图10 心率数据和经纬度信息的实时显示

服务器终端收到经纬度信息，然后应用GPS测试工具实现对应用人员的准确定位，如图11所示。

图11 应用人员的准确定位

5 结语

本课题设计了一款不同于市面上的可穿戴式设备。针对的用户群体为养老院和社区老人。产品在通信及物联网大环境下，实现远程通信及用户的健康监护。基于A7模组的老人健康远程监护方案，实现了把用户的心率数据通过GPRS网络实时转发的功能，同时，设计附加有害气体传感器和温湿度传感器为核心的外界环境监测，为用户提供全天候的动态心率数据和空气质量指标的提示。这一设计是对远程健康监护系统方案的尝试探索，通过对各模块的功能调试以及综合测试，该系统实现了预期的各项功能，完成了预定的设计目标。