基于Cortex-M3处理器和SIM900A的可穿戴健康参数监测系统设计

梁美丽,尹礼寿,陈立杰

基于Cortex-M3处理器和SIM900A的可穿戴健康参数监测系统设计

梁美丽1,尹礼寿2,陈立杰3

1. 山西轻工职业技术学院机电工程系, 山西 太原 030013 2. 太原工业学院理学系, 山西 太原 030013 3. 浙江农林大学国际教育学院, 浙江 杭州 310000

中国人口老龄化日趋明显，独居老人发生危险得不到及时救治，关爱老人成为迫切需要解决的问题。系统以Cortex M3核心板和高性能GSM/GPRS模块SIM900A作为设计核心，设计了一款可以自发短信的老人健康参数检测系统。核心板采用STM32F103C8T6作为控制器，在无创脉搏波测量法的基础上建立心率、血压、血氧饱和度相应的测量模型，并基于参数测量值进行数据挖掘分析，当监测数据值超出或低于正常范围时发出报警短信给监护人。此电路设计的创新点在于体积小，功耗低，成本低廉。

核心处理器; 光电容积脉搏波; GSM/GPRS

1 研究背景及意义

2016年5月16日，扬州市区锦旺社区的一名年逾古稀的老大爷独自在家洗澡，因不慎跌倒而猝死，两天后才被发现；2017年一位独居的81岁老太在死后2个月才被发现；2018年8月3日，南京雨花台一位独居老人洗澡时不慎摔倒，家人也没有及时发现。中国正处在社会转型的关键时期，许多制度还有待完善和建全。随着老龄化人口的增加，医疗、养老等社会服务方面的压力日渐明显，为了不给儿女留下无法弥补的遗憾,更多的关爱独居老人,本文设计了“一种基于Cortex-M3处理器和SIM900A的老人健康参数监测系统”。该系统能够通过监测老人的生命体征数据,在危急时刻将危险数据以电话或者短信形式第一时间通知监护人，为发生意外的老人赢得最佳治疗时机。鉴于老人的年龄特点，此设计具有操作简单，携带方便，电路功耗低，成本低廉，定位准确的特点。

2 主要研究内容

古人有"二十八脉"之称，脉象是心理活动、病理转化的客观指征[1]。一般情况下脉搏和心脏的收缩舒张是一致的，故一些疾病的前期症状很多都能从脉搏上反应出来。对中医来说测量脉搏是一个不可缺少的检查项目。传统的脉搏测量法主要通过人工测量，手工记录的方式。这样一是加大了医生的工作量二是脉搏细弱触不清时容易出错，精度也不高。1860年Vierordt创建了第一台杠杆式脉搏描记仪，1950年左右朱彦把脉搏的测量技术应用到医学诊断中，随着医学的智能化发展，脉搏采集也越来越多样化。本文利用基于光电容积脉搏波原理的脉搏传感器进行脉搏采集，对采集的数据用单片机进行处理，通过建立相应的数学模型测得心率、血压、血氧等生理参数。鉴于人体手腕部最适于穿戴，而且易于连续长时间实时监测，故本文主要采集桡动脉处的脉搏。

光电容积脉搏波是基于郎伯比尔定律与人体动脉血之间的关系得到的变化波形。光电容积脉搏波描记法(PPG)是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法[2]。此方法中的光源一般采用对动脉血中两种血红蛋白有选择性的光源，即660 nm附近的红光和900 nm附近的红外光。当这两种光束照射到皮肤表面时，皮肤内的血液容积在心脏作用下成搏动性的变化，心脏收缩时光吸收量大检测到的光强度小，心脏舒张时光吸收量小检测到的光强度大。光电变换器将接受到的光线转变为电信号，并将这个电信号放大和输出。由于心脏的搏动是周期性变化的，因此光电变换器的电信号也是周期变化的。光电容积脉搏波描记法不需要复杂和昂贵的设备，而且操作简单。此方法对人体没有伤害，可无限重复使用而且误差较小。

3 电路硬件设计

本电路设计分3部分构成。分别是：信号采集，信号处理，无线通信。本系统的硬件电路图如图1所示。电路设计中主控芯片采用STM32F103系列的STM32F103C8T6单片机，还用到了脉搏波传感器模块、OLED显示模块、SIM900A通信模块和电源电路。

数据采集部分主要利用脉搏传感器获取人体桡动脉的脉搏信号,鉴于人体的脉搏信号很微弱，单片机对微弱信号很难直接处理。此电路设计需要先把微弱信号进行放大，滤波，再通过比较器把波形转换成矩形波，通过滤波把噪音滤掉。把得到的矩形波输入到STM32单片机中，STM32对采集到的数据通过建立各种相应模型的计算来估计血氧、心率和血压等三个参数值，然后判断处理计算结果[7]。超限信息判断结束以后,如果超限的条件成立,通过SIM900A将超限数值传送给老人的监护人来达到及时监测的目的。

图 1 系统硬件电路结构图

3.1 数据采集系统

进行数据采集前大家需要明确一个概念，测量人体返回的PPG信号并不是一件容易的事情。因为信号非常微弱，很容易被其他干扰噪声所淹没。所以不同的人或者同一个人处于不同的环境下，身体不同的部位都会得到不同的PPG信号。脉搏波信息采集质量的好坏将会影响后面对数据的处理和分析,所以对脉搏传感器的选择尤为重要。本检测电路的设计思想是采用模块化设计，在选用脉搏传感器时以功耗低，成本低，稳定性好，使用寿命长作为主要考虑因素。脉搏波传感器模块的主要功能是驱动LED光组交替照射在人体腕部，对人体腕部返回的反射光数据做预处理。本文选用了Maxim公司的MAX30102，它是一种高灵敏度血氧和心率的生物传感器模块。

MAX30102的发光部分包括两个LED，一个是红光LED（660 nm），另一个是红外光LED（880 nm），这个是测量血氧饱和度SPO2最常见的配置。接收部分是一个对可见光和红外光都敏感的光电二极管，MAX30102将接收的光强度信号转换为电流信号，经过环境光消除电路后，最后被自带的18位ADC进行采样转化，至此模拟部分完成。AD转化后的数字经过数字滤波后储存在数据寄存器中，最后可通过I2C总线被外接MCU读取。在硬件上，LED的电源和其他部分的电源不是同一个，因为LED为了保证足够的入射光强，需要瞬间大电流（最大50 mA），这就要求LED的正向电压足够大（要求3.1 V以上）。而其余的AD转换和I2C总线部分，为了实现低功耗要求电压足够小（要求1.8 V），所以传感器需要两路独立的电源。此外，由于LED电源会产生瞬间大电流，所以电源引脚附近要加一个大电容减轻对电源电压的影响。

3.2 STM32核心控制系统

STM32核心控制系统采用了功耗低，成本低的STM32F103C8T6集成电路。集成电路中采用了意法半导体公司生产的增强型STM32F103单片机。STM32F103单片机型号为STM32F103C8T6。STM32F103C8T6芯体为32位，程序存储器型容量是64 KB，需要电压2 V~3.6 V，工作温度为-40 °C ~ 85 °C[4]。STM32F103C8T6最小系统包括MCU，电源稳压电路，电源滤波电路，BOOT选择电路，指示灯电路，JLINK接口电路，晶振电路，复位电路，扩展口电路和USB接口电路[8]。此电路的特点是高性能、低成本、低功耗，其外形尺寸只有传统的DIP40封装（例如AT89S52）的大小。STM32F103C8T6微控制器以I2C总线方式访问其内部FIFO来获取采集到的脉搏波数据，在STM32F103单片机中处理脉搏波波形数据并且提取、计算来获得心率、血压、血氧参数,这些健康参数结果通过OLED实时显示的同时做出超限判断。如果超限条件成立将通过SIM900A模块进行通信。STM32F103C8T6电路图如图2。

图 2 STM32F103C8T6电路图

3.3 OLED显示

OLED，有机发光二极管又称为有机电激光显示。OLED显示屏是利用有机电自发光二极管制成的显示屏[5]。OLED是主动发光的显示器，与其他显示器相比具有高对比度，宽视角，快速响应，高发光率，低操作电压，超清薄等优点。OLED可耐受的温度区间达到-40 °C ~ 85 °C温度范围。并且OLED不含铅，不会造成环境污染，被认为下一代平面显示器新型应用技术。最先接触的12864屏都是LCD的，需要背光，功耗较高，而OLED的功耗较低，更加适合小系统。本系统中采用了0.96OLED显示模块，该模块的特点是：1、三色可选，模块有两种颜色可选，单色为纯白色和纯蓝色，双色为黄蓝双色；2、超小尺寸，显示尺寸为0.96寸，模块尺寸为27 mm*26 mm*4 mm；3、接口模式，采用串行SPI接口模式；4、高分辨率，分辨率为128*64；5、带字库，可显示标准的国体简体汉字，8*16点ASCII粗体字库，7*8点ASCII字库，5*7点ASCII字库[6]。

图 3 电源电路图

3.4 电源模块

电源是系统硬件电路的主要组成部分。电源模块给整个系统供电，为微控制器STM32、SIM900A模块提供稳定的电压.主控电路STM32F103C8T6的工作电压是3.3 V。SIM900A使用单电源供电，VBAT电压范围是3.2 V~4.8 V。为使模块的各个部分正常工作必须对两者分别供电。电源电路(图3)。

3.5 SIM900A通信模块

SIM900A模块是一款采用SMT封装，ARM926EJ-S架构的紧凑模块。它提供了多种所需的应用接口，其中包括主串口，调试串口，音频接口，SPI接口等，可以满足各种场景的应用。SIM900A模块主要由基于GSM网络的SIM900A芯片控制，此芯片是一个EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz的双频模块。它可以低功耗实现语音、SMS、数据的传输[3]。SIM900A所有的指令都必须是以ASCII编码字符格式，在睡眠模式下最低耗流只有1.0 mA。要实现STM32单片机与SIM900A模块之间的数据通信，除了硬件连接之外还要在软件设计时搭建开发平台，在Keil工程中添加需要用到的库函数和配置文件。配置文件包括依次对系统时钟、中断函数、输入输出的GPIO口配置，以保证模块能够正常运行。电路图中STM32处理器的PA14脚接SIM900A的PWRKEY脚，完成SIM900A的上电、下电及重启控制。单片机的串口1可通过J5跳线完成与SIM900A的串行通信控制。

4 电路软件设计

软件编写主要由C语言完成。电路软件包括主控芯片初始化和SIM900A模块初始化两大部分。主控芯片初始化包括系统初始化和健康参数提取算法两大部分。系统初始化流程图见图4。系统初始化是指各个模块的初始化。健康参数提取算法包括血压、心率、血氧的计算，各流程图分别为图5、图6、图7。电路通过桡动脉处MAX30102评估版进行5 s时间（2000点）的脉搏波采集，先对原始信号预处理，再获取脉搏波的特征值来计算心率、血氧和血压。

图 4 健康监测系统总流程图

图 5 血压获取

图 6 血氧获取

图 7 心率获取

5 系统调试

整个系统测试包括硬件调试和系统性调试两大部分。硬件调试为各个功能模块的功能测试，具体由MAX30102评估板的脉搏波采集测试，STM32F103单片机最小系统测试和OLED显示模块测试等。在调试之前先拿万用表对电路的焊接做个简单的检测，如果电路焊接没问题，就把各模块之间通过杜邦线连接起来为后面的系统调试做好准备。第二个部分为系统性能测试，设计者通过串口调试助手对电路串口和主控芯片进行信息交互，设置好输出波特率和数据帧的格式，在每部分调试通过后将程序代码下载进单片机中，看是否与自己设置的功能相符。调试完成后将此设备测得的数据和现有仪器测得的心率、血氧和血压的健康参数值进行对比，计算误差并分析。

6 总结

此监测系统是针对老人设计的，在传统监测健康参数的基础上增加了通信功能。此电路的优点在于功耗低，体积小，能实时监测并传送出去。本系统将信号采集，信号处理以手腕佩戴的方式集成在一起区别于传统的可穿戴设备体积大，功耗大的特点。鉴于体积方面的约束，本监测系统监测的精度没有达到很精确，监测到的生命体征参数也有限，这些方面是以后需要改进的地方。

[1] 朱雯,阮晓声,梁中庆,等.脉动波在弹性管道中的传播速度与诸因素的关系[J].浙江大学学报,1996,25(4):154-156,177

[2] 黄伟荣.可穿戴式健康参数监测方法与系统设计[D]..西安:西安理工大学,2018

[3] 刘永涛,刘佳,李玉华,等.基于SIM900A的语音燃气报警装置设计与实现[J].现代电子技术,2017,40(3):96-99

[4] 花磊.无线网络技术在医院中的应用[J].中外医学研究,2012,10(28):141

[5] 胡大一.心血管内科学[M].北京:人民卫生出版社,2008

[6] 吴学思.心率在心血管疾病中的意义[J].中华内科杂志,2006,45(7):601-602

[7] 廖永国.无创脑血氧饱和度检测方法的研究[D].天津:南开大学,2006

[8] 彭顺生.基于的大气粉尘远程监控系统[D].湖南:湖南大学,2015

Design of Wearable Health Monitoring System Based on Cortex-M3 and SIM900A

LIANG Mei-li1, YIN Li-shou2, CHEN Li-jie3

1.030013,2.030024,3.310000,

The aging of the Chinese population is becoming increasingly obvious. The danger of elderly people living alone can not be treated in a timely manner. Caring for the elderly has become an urgent problem that we need to solve.The system uses the Cortex M3 core board and the high-performance industrial-grade GSM/GPRS module SIM900A as the design core, and designs an elderly health parameter detection system that can spontaneously send text messages to alert.The processor of the core plate uses STM32F103RC8T6 as a controller to establish a corresponding measurement model of heart rate, blood pressure, and blood oxygen saturation based on the non-invasive pulse wave measurement method, and conducts data mining analysis based on parameter measurement values. Send alert messages to relevant personnel when monitoring data values are above or below the normal range.The innovation of this circuit design lies in its small size, low power consumption and low cost.

Multiple health parameter detection; PPG; GSM/GPRS

TP391.4

A

1000-2324(2019)03-0445-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.019

2018-02-20

2018-04-28

山西省高等学校科技创新项目(20131114)

梁美丽(1982-),女,硕士,讲师,研究方向:电子技术，信息通信. E-mail:li13994299381@126.com