基于实时信息采集的心电监护系统

摘  要：随着移动医疗的飞速发展，心电监护已成为个人日常心脏监控的一个重要发展方向。文章针对稳定采集和记录人体的心电信息、体表温度和运动信息等问题，设计了一种基于ESP32的无线运动传感器节点装置。该设计利用前端模拟芯片ADS1292实时采集使用者心电信号，温度传感器LMT70测量使用者体表温度，STP100M计步模块检测使用者运动信息。经测试，该装置能够实现对人体信息实时监测功能，测量误差及传输延时均达到设计要求，证明可满足个人日常心电监测。

关键词：心电监护;ESP32;LMT70;Wi-Fi

中图分类号：TH77  文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）17-0175-03

Abstract： With the rapid development of mobile medicine， ECG monitoring has become an important development direction of personal daily heart monitoring. Aiming at the problems of stably collecting and recording human ECG information， body surface temperature and motion information， a wireless motion sensor node device based on ESP32 is designed in this paper. In this design， the front-end analog chip ADS1292  is used to collect the user's ECG signal in real time， the temperature sensor LMT70 is used to measure the user's body surface temperature， and the， STP100M step counting module is used to detect the user's motion information. After testing， the device can realize the real-time monitoring function of human body information， both the measurement error and transmission delay meet the design requirements， which proves that it can meet the daily ECG monitoring of individuals.

Keywords： ECG monitoring; ESP32; LMT70; Wi-Fi

0  引  言

随着全球人口数量的增长，老龄化趋势愈加严重，心脑血管疾病已经成为一种不可忽视的严重疾病[1，2]。为了避免身体出现不可逆的恶性循环，人们越来越意识到健身和有氧运动对于生活的重要性。随着健康人群的不断增加，同时也会带来运动导致的意外事件越来越多，因此人们需要人体监测设备实时对个体的心电信息、体表信息以及运动信息进行监测[3，4]。

1  系统总体设计

该系统预期实现的目标为：在不同的测试环境下，能稳定采集和记录设备使用者的心电信息、体表温度、运动信息，并实时发送到移动终端手机上，同时能够实时显示使用者体温、运动步数、运动距离、心电波形[5-7]。当采集到使用者心电信号出现心律不齐时，发出蜂鸣器报警。

1.1  主控器件选择

选取ESP32作为主控制芯片模块，该芯片支持Wi-Fi和蓝牙双模通信，外围兼容低功耗硬件设计，深度睡眠模式下功耗仅为10 μA。主控器支持USB和外接3.7 V锂电池两种供电方式，可实现双电源下自动切换电源功能，并支持USB和外接DC两种充电方式。同时该芯片具有体积小，可靠性、功能性较强，可以满足本系统处理大量数据的要求。

1.2  传感器选取

STP100M计步模块具有高性能的计步器主控MCU和一個高灵敏度的G Sensor，结合高精度的3D计步算法，使其在任何方向都可以精确计步。相较于其他运动传感器具有小体积、低功耗，高精度等特点，可以满足本系统运动信息的测量要求。

1.3  无线传输方式选取

Wi-Fi模块采用标准802.11协议，工作频段为2.4 GHz，所支持的速度最高达54 Mbps，通过互联网连接上安装访问点来创建，传输距离大概为91.5米。支持Wi-Fi连接的设备可在热点覆盖的区域随时联网，可实现多人同时连线，可以满足本系统传输数据的要求。

1.4  系统结构工作原理

本系统主要包括ADS1292心电测试模块、LMT70温度传感器模块、STP100M计步模块、ESP32控制器、移动终端、电源、蜂鸣器等模块组成。系统总体框图如图1所示。

ADS1292心电测试模块实时采集使用者的心电信号，LMT70温度传感器测量使用者体表温度，STP100M计步模块检测使用者运动信息。ESP32控制器处理采集到的信号，并通过Wi-Fi上传数据到移动终端上显示。

1.5  信号采集系统设计

使用者携带无线传感器节点，ADS1292心电测试模块实时采集使用者的心电信号，LMT70温度传感器测量使用者体表温度，STP100M计步模块检测使用者运动步数和运动距离。ESP32控制器处理采集到的信号，确定心电波形中Q、R、S点，计算R、S两点时间，分析计算使用者的心率，采集两次心跳用时，计算其差值超过20%，即判定出现心律不齐，蜂鸣器报警。将采集到的信息通过Wi-Fi上传数据到移动终端手机上，制作APP显示标注出Q、R、S点的心电波形、心率、体温、运动步数和运动距离。

ADS1292心电测试模块通过激励产生电信，测量人体呼吸阻抗，设参考电压为2.5 V，从而计算出实时的人体呼吸阻抗变化数据，采集数据时，易受到环境噪声干扰，因此，我们对采集的出数据使用Matlab进行前期的分析处理，得到了较为直观的数据波型图，从而选择平滑滤波，并且使用简易的分窗处理，快速获得相应的心电信号，通过分窗取样分析法计算出心跳脉搏位置。

LMT70温度传感器使用二阶曲线或三阶曲线拟合参数，准确度等同适用于人体温度测量的有限温度范围查找表（LUT）中的准确度，适用于10℃至110℃的三阶方程式。也适合20 ℃至45 ℃的二阶曲线，能提供较准确的结果。

ResAVG=×ResADC

STP100M模块转换出人体步行步行过程中，三轴方向的单轴加速度变化的值，对采集的加速度正选波形，并产生周期性脉冲，主控芯片采用轮询的方式检测脉冲激励，滤除杂波，累加有效脉冲计数值，从而计算出运动步数，访问模块内部的寄存器，获取计算的步伐距离。

2  核心部件电路设计

2.1  ESP32主控制器

选用ESP32主控制器，其CPU 频率最高可达240 MHz，具有528 kB RAM，448 kB BootROM，及IIC、DAC、SPI等通用外设，可较好的发挥无线传输的功能。本系统主要包括ADS1292、LMT70温度传感器模块、STP100M。

2.2  ADS1292心电测试模块

选用ADS1292具有两个低噪声可编程增益放大器（PGA）和两个高分辨率三角积分模数转换器器（ADC），集成了心电采集所需要的部件，方便设备小型化，最高速率可达125 SPS至8 kSPS，共模抑制比（CMRR）为-105 dB，完全满足于采集心电信号的性能要求。呼吸检测是使用了阻抗检测的方法，使用了的32 KHz高频方波输入到人体，然后经过电路滤波后可以计算出两片电极之间的阻抗变化的大小。呼吸检测和心电检测使用的是同一电极，由于心电信号一般在100 Hz下，对于高频的检测呼吸的方波是可以通过ADS1292里面EMI电路滤掉的。方框2部分是右腿驱动电路，对于右腿驱动的作用，用于去除共模电压，通过放大器反向放大之后输入到人体，并且提供了一个电压抬升，将测量电压抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保证了输入电压是在芯片的检测范围内。

2.3  LMT70温度传感器模块

选用的LMT70是一款带有输出使能引脚的超小型，高精度，低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）模拟温度传感器LMT70几乎适用于所有高精度，低功耗的经济高效型温度感测应用，多个LMT70可利用输出使能引脚来共用一个模数转换器（ADC）通道，从而简化ADC校准过程并降低精密温度感测系统的LMT70还具有一个线性低阻抗输出，支持与现成的微控制器（MCU）/ADC无缝连接.LMT70的热耗散低于36 μW，这种超低自发热特性支持其在宽温度范围内保持高精度。且低电源电流可以减小到9.2 μA，大大延长了监测时间。

2.4  STP100M计步模块

选用STP100M计步模块，使用了一个高性能的计步器主控MCU和一个高灵敏度的G Sensor，结合高精度的3D计步算法，使其在任何方向都可以精确计步。此模块具有小体积、低功耗，高精度等特点。模块提供了简单的脉冲输出接口。使其能很方便地应用于3D计步器、USB多功能计步器、卡片计步器，以及各种嵌入计步功能的系统，其通讯协议如图2所示。

2.5  移动终端

移动终端选取Android系统手机，开发的APP软件通过TCP/IP网络协议连接控制器，取得各个传感器的数据，经运算处理后，送给显示器，可以直观的观察到心电信息、温度、步数、距离等。采用这种显示方案，可有效降低前端控制器的运算量，充分发挥移动端强大的数据处理能力。

2.6  关键电路驱动接口

ESP32主控制器主要功能是控制SDA1292模块、STP100M模块、LMT70模块来获取数据，最终通过Wi-Fi无线传输方式发送到手机APP上，STP100M模块与ESP32之间通过IIC进行通信，IIC接口是用来支持设备配置和传输数字主机处理器的频率值或外部提供的时钟。

3  实验结果

本系统的总体工作流程如图3所示，首先系统进行初始化，紧接着通过LTM70温度传感器采集人体的温度信息，依次通过STP101M读出人体的步数，最后读取ADS1292心电传感器、分析被测人员心电图，将所收集到的数据打包通过Wi-Fi发送到监护者的手机上。

本系统的实际测试结果如表1所示，完全能够胜任对人体的心率、温度、运动步数以及运动距离等信息的实时采集。从实时采集到的人员信息的心电信号可以看到，本设备均能够有效地监测当时的心电信号和心率，并且测试结果与实际结果相近，精度符合日常生活需求。

针对目前心电监测仪价格昂贵、抗干扰差、检测范围小等问题，本文设计了基于高精度实时心电监测系统。本文针对稳定采集和记录人体的心电信息、体表温度和运动信息等问题，设计了一种基于ESP32的无线运动传感器节點装置。本设计利用前端模拟芯片ADS1292实时采集使用者心电信号，温度传感器LMT70测量使用者体表温度，STP100M计步模块检测使用者运动信息。设计实物图如图4所示，该装置能够实现对人体信息实时监测功能，测量误差及传输延时均达到设计要求，完全可以胜任个人日常心电监测。

4  结  论

为了满足人体日常实时对心电进行监护的需求，不但能够即时的采集心电信息同时也需在发生突发状况下立即发出警报，本文提出了一种基于ESP32控制器和多个人体监测传感器组成的心电监护系统。该系统主要用前端模拟芯片ADS1292实时采集使用者心电信号，该装置能够实现对人体信息实时监测功能，测量误差精度高同时系统传输延时小，能够用于人体日常心电监护。同时，本设计也充分考虑到该装置的成本、功耗以及小型化等应用需求，并最终致力于转化成一款用于人体日常心电监护的电子产品。

参考文献：

[1] 李珂.穿戴式心电监护设备的低功耗技术研究 [D].杭州：浙江大学，2015.

[2] 陈伟伟，高润霖，刘力生，等.中国心血管病报告2013概要 [J].中国循环杂志，2014，29（7）：487-491.

[3] 张和君，张跃，周炳坤.远程心电监护软件系统的设计与实现 [J].计算机工程与应用，2006（15）：219-224.

[4] 温东伟，杨昆.心电检测用织物电极的研究进展 [J].纺织导报，2018（3）：72-75.

[5] 张璐，刘茜，曾玮宸.心电监测织物电极的研究进展 [J].棉纺织技术，2021，49（7）：80-84.

[6] 温东伟.心电监测用织物电极的设计与研究 [D].天津：天津工业大学，2018.

[7] 杨红英，叶华标，周金利，等.可穿戴织物心电电极运动伪迹的产生机制与抑制方法 [J].纺织高校基础科学学报，2019，32（2）：126-132.

作者简介：郑凯（1989—），男，汉族，江苏淮安人，讲师，工学硕士，研究方向：电 子科学与技术。