基于互联网的老人心率健康监测系统设计

王篮仪

摘 要：文章基于老龄化进程加快的社会现状，重点对老人心率进行检测，运用现阶段的先进技术结合传感器以及显示屏等模块实现心率系统的设计。首先，从系统工作原理、主控单元、传感器模块、信号采集电路、LCD1602显示电路和报警电路5个方面入手，分析了系统的硬件模块;其次，从主程序流程、中斷程序流程、显示程序流程3个方面出发，分析了系统的软件模块;最后，根据呼吸与心跳关系结论，验证了系统的可行性。

关键词：人口老龄化;生命安全;心率检测

0    引言

随着人口老龄化进程的加快，我国有三分之一老年人存在失落、孤独、抑郁、焦虑等心理问题，六分之五老年人因生理功能的改变，各组织、器官储备能力的减退，形成许多慢性疾病，比如，高血压、冠心病、糖尿病等。如何提高广大老年人生命安全的群体水平，已逐步引起了全社会的重视。基于此，本文设计老人心率健康监测系统，以期提高老年人的健康水平[1]。

1    硬件系统设计

1.1  工作原理

光电式的心率监测系统是一种将光电传感器作转换器件，心率变化产生的红外光经过其转换为电信号，然后对其进行测量和显示的设备。系统的组成包括光电传感器、信号处理电路、单片机电路、数码显示和电源的等[2]。其中，光电传感器是将红外光信号转换为电信号的一种转换元件，在检测过程中，通过ST188采集心率信号，然后将接收到的红外光转换为便于测量的物理量输出，信号处理电路主要就是处理光电器所采集到的低频信号然后将其放大、滤波整形的模拟电路。单片机自身就有定时中断计数功能，可以对输入的脉冲进行运算得出心率，设计电路实物如图1所示。

当手指放在光电传感器上时，随着心跳的变化，血管中血液的流动也会发生变化。手指放在光电传感器的传输路径上，当红外光照射进手指内发生反射时，由于血管中血液的浓度是在时刻变化着，从而光的反射程度也会发生变化，因此，和心跳的节奏相互对应，光电传感器中所接受到的电流也在跟着改变，使光电传感器输出脉冲信号。该信号经过放大、滤波、整形后输出，输出的脉冲信号作为单片机外部中断信号，电路对输入的信号进行计算处理后将结果送到数码管显示，当被测量者的心跳频率超出一定范围时系统中的蜂鸣器就会报警[3]。

1.2  主控单元

设计原计划使用STM32为主控单元，但考虑到51单片机机也可以使用整个系统的设计，故转而使用51单片机来作为主控单元，51单片机系列有不同型号的芯片，外带丰富多样和功能灵活的辅助工具，并实现了全产品系列上的引脚兼容，为广大单片机使用人员提供了更多的选择性以及其创造力自由度释放的相关帮助。

1.3  传感器模块

传感器的种类有很多，一般情况下，分为压电式、声电式、光电式。不同的传感器有不同的传感效果。综合考虑各方面因素，本设计主是由红外光电传感器构成，使用光电传感器，能直接把人体脉搏信号转换成电信号。人体指尖的动脉比较发达，因此，信号采集直接采集人体指尖信号。由于人体血液中有介质，光在照射到人的皮肤表面时会透过血液产生反射，光电式检测方法就是利用这一点，光电传感器检测人体内血液时会对光产生反射和折射，通过透光率和反射率的不同将其转换为电信号。光的折射和反射的不同，检测的方法也不同，检测方法分为对射式和反射式。对射式就是在一个手指大小的环的两侧各放置一个发射管和接收管，在使用时，将手指伸到环内，由于手指皮肤下的血液是时刻流动的，发射管所发射出来的光经过手指被接收管接收，从而光电流就随之变化，反射式是指没有接收管只有发射管，光电信号都指向一个方向，当人身体血液流动时对光的折射也会发生改变，从而接收管接收到光信号，检测出心率。但是这样的检测方法容易受到外界的干扰都比较大，传感器的输出信号较小，对后面的放大信号要求较高。

1.4  信号采集电路

首先，红外传感器采集人体生物信号，人体的生物信号非常微弱，需经放大器进一步将其放大处理后，以高低电平的信号方式送入STC89C51单片机的I/O口，经过单片机软件对信号处理后，以数值形式显示在液晶上。ST188是由高发射功率红外光电二极管和高灵敏光电晶体管组成，检测可调节范围较大，采用的是非接触检测方式。根据反射式红外线电传感器的原理和内部结构设计，信号采集电路如图2所示，电路主要的作用是限流。

1.5 LCD1602显示电路

LCD1602液晶显示也叫做字符型液晶显示，主要是用来显示字母、数字、符号和点等字符，因为每位和每行之间有间隔，所以不能用来很好地显示图形，但是用来显示字符还是很好的选择。LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在仪器仪表中被广泛的使用。目前，字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。

1.6  报警电路

报警部分使用的是蜂鸣器，一端接上拉电阻，另一端连接PNP三极管的e端。当蜂鸣器接收到高电平时，就会发出嘟的报警提示音。在系统正常运行时，出现生理参数超出正常范围时，报警电路会发出嘟的响声报警，等到传输的生理数值回到正常值时，重启检测仪器才能解除报警。

2    软件设计

2.1  主程序流程

主程序流程如图3所示。首先，程序的初始化部分，很重要的功能是清零重置，以确定是否输入了信号。当检测到信号没有输入时，将显示全零，表示心率监测系统工作异常，如果不是，则说明功能正常。

程序中影响核心功能的一个部分是实现100 ms定时的功能，这主要是为了实现6 s采样而设定。系统利用单片机计时器实现100 ms的计时，中断程序启动后，计数进行累加，并判断次数。如果样本采集未达到60次，则返回继续采样，直到采集到60次的中断，进行数据的输出和显示。

2.2  中断程序流程

中断程序流程主要涉及单片机的两个中断功能。一个是单片机的定时器中断，另一个是单片机的外部中断功能。

定时器的中断服务程序主要的功能是实现计时和是否需要进行信号触发。当启动定时器中断后，测试时间设置为1 min，从第1 s计到第60 s，当到第60 s时，中断停止，保存测得的心跳次数，并进行对按键的检测。中断部分主要实现的功能是60 s的定时功能，并且保存测得的心跳次数。

另一个是外部中断服务功能。主要实现对外部信号的测量和计算。使用外部中断方式设置中的下降沿触发方式，当检测到一个脉冲信号，心跳次数就加一，同时，使用单片机内部定时器控制实现计数60 s，两个功能结合实现累加1 min内的心跳次数。心率的有效测量范围为40～120次/分钟。由于在测量过程中会有外界信号的干扰，所以在定时中断程序中加入了对频率大小的判断，过滤掉对测量有影响的不在心率有效范围内的脉冲信号。

2.3  显示程序流程

显示部分包括上一次心跳次数的显示此次心跳次数的显示。接收到中断程序的结果后，将先显示之前的心跳次数，经过10 ms的延迟后，将显示当前测试到的心跳次数。

3    呼吸与心跳关系结论分析

针对设计的心率检测系统，进行了实际的测试。测量人体平静状态下没有运动时的呼吸与心率，在测量之前保持身心平静，不要做剧烈运动，测量的结果如表1所示。

在测量完平静状态下的呼吸次数与心率的关系之后，就要测量一下在运动状态下时的呼吸与心率的次数，比较并讨论运动状态下呼吸与心率的变化跟平静状态下呼吸与心率变化的区别，看两种状态下的身体呼吸和心率的数值各有什么不同。在高抬腿100次后的测量数据如表2所示。

综合表1和表2分析可得，人体在运动后呼吸的次数明显相对于平静时的呼吸次数有所提高，由此也可看出，在呼吸次数增加时，人的心率明显有所增高，这就证明了呼吸的变化能影响心率的变化，呼吸与心率在运动后呈现正相关的规律。

4    结语

心率检测仪器是一种常用的医学检测设备，准确、有效的心率测量在监控临床治疗技术等体育竞赛等方面都有广泛的应用。但是在现实生活中，这种可以直接测量心率的设备并不常见，并且在非常老的城市和小型医院中都使用原先的那种听诊器，极大地影响了效率和治疗时间。更何况，当今很多独居老人，并不方便使用老式心率检测仪，智能的心率监测仪器更是必不可少。

[參考文献]

[1]邵云龙，陈越.浅析智能传感器技术[J].科协论坛，2011（7）：22-25.

[2]徐作华.浅谈智能传感器的典型应用[J].科技资讯，2012（29）：44-45.

[3]梁威主.智能传感器与信息系统[M]北京：北京航空航天大学出版社，2004.

（编辑 傅金睿）