0 引言

　　近幾年來，隨著居民健康需求的日益提高，以及新技術、新材料和新型生物傳感器的不斷發展，針對不同體征信號開發的各類小型化、低成本、低功耗便攜式醫療設備大量涌現,并逐漸受到不同人群的歡迎[1]。分立式血氧儀、心率計、體溫表、心電儀等便攜式產品在大中型城市家庭中逐漸應用普及。但當前集多種生理參數監護功能于一體，同時兼顧可靠性、穩定性、精確性、實時性、小型化、低成本和低功耗等特性，用于家庭實時長期的生理監控及預警的便攜式體征參數監護儀還有所缺乏[1]。因此，研究一款適合于普通家庭使用的多體征參數健康監護系統具有現實意義及巨大的市場前景。基于上述考慮，本文設計了一款可實時測量心電、呼吸、血壓、血氧、脈率和體溫的多功能便攜式人體特征參數監護系統。本系統是一款集家庭診斷與疾病指導、醫療保健為一體，并能為用戶同步保存生理參數信息的實時監護系統，對數字化醫療和家居健康遠程信息系統的構建具有重要意義。

1 系統設計

　　本健康監護系統由人體生理參數采集電路、STM32微控制電路和軟件濾波實現等部分組成，其中人體生理參數采集電路包含血氧、心電、呼吸、脈率、心率、體溫、血壓等采集模塊；微控制電路部分以STM32為控制核心，由電源管理模塊、人機交互按鍵模塊、藍牙4.0模塊、RS-232模塊、SD存儲模塊和LCD顯示模塊組成，系統整體結構框圖如圖1所示。

　　人體生理參數采集電路通過外接傳感器探頭獲得原始信號，經硬件濾波、去噪、放大處理后，再通過A/D采集獲得心電、呼吸、脈率、血氧、體溫、血壓和心率等健康信息，并打包成固定格式的串口數據包，再通過STM32微控制電路將參數板所獲得的串口數據保存在SD卡中，同時STM32微控制電路板對所獲得的串口數據包進行解析，通過3.2英寸的LCD液晶屏實時顯示人體體征參數。當測量數據有異常時，通過警報模塊進行提醒，另外使用MAX3232將TTL電平轉換成RS232電平,再與PC的COM口連接，通過PC端上位機軟件實時動態顯示人體基本體征參數和波形。為了提高設備的適用范圍，本系統可通過藍牙BLE模塊和WiFi模塊與手機或PC進行無線連接。裝有相應APP軟件的設備即可實時動態顯示人體相關體征數據和波形。

　　1.1 人體生理參數采集電路

　　人體生理參數采集電路原理框如圖2所示。主要由JTAG下載接口電路、12 V供電電路、RS232/TTL電平轉換電路、電泵充放氣電路、4路傳感器驅動采集電路等組成，而傳感器采集電路主要由無創血壓NBP接口、血氧測量接口SpO2、心電ECG接頭、體溫探頭接口TEMP等4個傳感器接口組成人體生理采集電路的傳感器輸入端，分別獲得血壓、心電、血氧和體溫等原始信號后，再經過與之對應的測量模塊預處理后送給MCU。并采用免疫遺傳算法和多孔算法把心電電路采集到的數據進行濾波處理，并通過IIR濾波器對脈搏波進行數字濾波，再提取特征值，獲得人體的呼吸波和脈率等體征數據，然后通過基于卡爾曼濾波的多路數據融合估計算法得到呼吸率[2-3]，最后將獲得的體溫、脈率、呼吸、心電、血氧、血壓等信息打包成波特率為115200的固定格式串口數據包進行有線或無線傳輸。

　　1.2 基于STM32的外圍接口電路設計

　　STM32F103VCT6是意法半導體生產的一款32位高性能嵌入式微處理芯片，該芯片具有豐富的外設接口，2～3.6 V低電壓供電，多達80個標準IO口，且工作頻率可達72 MHz，內嵌高速Flash和RAM存儲器，同時具有3個SPI、2個I2C、2個I2S、3個USART、2個UART，并支持USB、SDIO、CAN總線接口，是專門為滿足高性能、低功耗、實時應用系統而設計的一款嵌入式微處理器[2-4]，且該芯片能很好地滿足本監護系統的控制、傳輸、數據保存、顯示和報警功能。基于上述的優點，本監護系統采用STM32F103VCT6作為為微控制系統的核心處理器，STM32微控制器外圍接口電路如圖3所示。

　　1.2.1 電源管理模塊設計

　　電源管理模塊包括系統供電電路和電池充電電路。本系統采用12 V直流電源供電，通過LM2576S芯片獲得5 V電壓輸出，經AMS1117輸出3.3 V電壓為MCU提供電能，系統上電后進入待機低功耗模式，當按下開機鍵時，MCU通過檢測按鍵外部中斷的方式使Q1導通，繼電器K1閉合，經U3和U4電壓轉換后輸出3.3 V為外圍電路提供電壓。此外，本電路MCU自帶3 V鋁殼電池，在系統斷電后為系統提供RTC實時時鐘，同時通過12 V鋰電池為系統提供備用電源，在無外接電源接入時保障本系統能繼續正常工作。系統電路原理圖如圖4所示。

　　本監護系統備用電池采用三節鋰離子電池串聯的方式，總容量為3 700 mAh。其充放電管理電路采用PWM降壓型鋰離子電池充電管理芯片CN3703，該芯片具有恒流和恒壓兩種充電模式。為使電池能夠較快速地充電，本電路充電電流設定為400 mA，RCS選擇0.5 Ω；當電池電壓繼續上升接近恒壓充電電壓12.6 V時，充電器進入恒壓充電模式，此時充電電流逐漸減小。當充電電流減小到EOC管腳電阻設置的值時，DRV管腳輸出高電平，此時漏極開路輸出管腳內部的晶體管關斷，輸出為高阻態，充電結束。另外無輸入電源電壓輸入或者拔下直流輸入電源時，CN3703為減少電池的電流消耗，延長待機時間自動進入睡眠模式，此時MCU控制Q1導通，此時通過12 V鋰離子電池給整個系統供電。電池充電電路原理圖如圖5。

　　1.2.2 SD卡存儲模塊

　　當STM32微控制器系統通過串口獲得多參數采集電路的串口數據包時，STM32微控制器需要對SD卡進行寫操作，把獲得的人體多參數信息以TXT文本文件的形式記錄在SD卡中。為了節省STM32的引腳資源以及簡化電路設計，同時又滿足本系統6.5 kb/s的串口傳輸速率，本系統采用SPI方式對SD卡進行讀寫操作。另外，采用FAT32文件系統對SD卡進行訪問，一方面減輕了操作SD卡的工作量，另一方面只要調用其提供的函數便可方便地對文件進行讀寫刪改等操作[4]。

　　1.2.3 LCD液晶接口設計

　　本監護系統采用3.2英寸320×240 HY32D-LCD液晶對監護信息進行顯示，且采用FSMC模塊來控制液晶,能夠在不增加外部器件的情況下同時擴展多種不同類型的靜態存儲器，且FSMC訪問外部設備時序可編程，可把液晶屏當作外部存儲設備來使用，能夠根據不同的外部存儲器類型，發出相應的數據、地址、控制信號類型以匹配信號的速度，更好地滿足了監護系統設計對LCD接口、產品體積以及成本的綜合要求。

　　1.2.4 藍牙4.0無線傳輸模塊

　　由于藍牙4.0具有低功耗、低成本、低延遲以及跨廠商互操作性等優點，逐漸成為無線近距離低功耗傳輸的首選，本文選用ITL2540低功耗藍牙模塊作為監護系統的無線傳輸模塊，通過串口與STM32微控制系統進行數據流傳輸。

　　1.2.5 WiFi無線傳輸模塊

　　本系統采用新力維公司生產的XLW002X作為無線傳輸WiFi模塊，該模塊集成了MCU，且符合802.11b/g、2.4G標準的無線射頻收發器、TCP/IP協議棧和應用程序，并且提供包括UART、SPI、I2C、I2S在內的豐富外部I/O接口，在本系統中采用UART進行串口數據傳輸。

2 基于STM32的濾波實現

　　在多生理參數采集系統的信號處理過程中，首先采用免疫遺傳算法和多孔算法對STM32采集到的心電、呼吸原始信號進行軟件濾波，并采用IIR濾波器對脈搏波進行數字濾波，再通過基于卡爾曼濾波的多路數據融合估計算法得到呼吸率。而在脈搏血氧信號的放大與檢測中，50 Hz工頻干擾、人體皮膚導致的空間電磁干擾及高頻雜波干擾尤為嚴重[5]，本監護系統設計了整系數IIR數字濾波器，其數學模型如下：

　　Y(n)=2Y(n-1)-Y(n-2)+X(n)-2X(n-10)+X(n-20)

　　(1)

　　式中：X(n)表示濾波前的信號，Y(n)表示濾波后的信號。在脈搏容積波信號的處理中，采用9點平均的方法對其濾波，其濾波公式：

　　Y[n]=(X[n-4]+X[n-3]+…+X[n+2]+X[n+3]

　　+X[n+4])/9（2）

　　經實際應用驗證，上述方法可以對脈搏波進行有效濾波，為進一步對波形分析以及計算生理參數提供了理論依據。系統根據采集到的心電波形計算出心率參數[6]，根據脈搏波形計算出血氧脈搏波和血氧飽和度等參數。考慮系統實時性的要求并結合芯片的運算速度和串口數據包的傳輸速度，本設計采用閾值判別算法，并將心電、呼吸、血氧、脈率、血壓、體溫等生理參數以固定格式的串口數據包進行傳輸。

　　本系統在KEIL MDK平臺下開發，采取開串口中斷接收的方式，經過各種初始化處理之后，系統進入中斷函數，當STM32微控制器的USART2串口接收到串口數據時，微控制器將USART2串口數據進行轉發給USART3，同時將對轉發的串口數據包進行解析，然后在LCD液晶上進行顯示，并將解析得到的有用數據保存到帶有文件系統的SD卡中。

　　為了保證數據傳輸的準確可靠性，本健康監護系統所傳輸的串口數據包由1字節包類型ID字節+N（N≤8）字節數據+1字節校驗和構成。串口包的最大長度為10個字節，其中數據部分的最大長度為8字節，由1個數據頭和N-1個數據構成。另外為了保證數據傳輸的準確性和可靠性，每個包的數據頭依次包含了數據字節的最高位，并且，數據頭的最高位Bit7為0，且數據校驗和的最高位Bit7為1。串口數據包格式如表1。

3 系統功能測試

　　為了測試本便攜式多參數體征監護系統的準確性、可靠性以及電路的功耗，本實驗選取兩款商用高精度便攜式多生理參數測量儀進行比較。在本系統測試實驗中，志愿者坐在椅子上，五導聯心電信號導聯線、脈搏血氧儀探頭（分別放在志愿者的3個手指頭上）和呼吸帶（綁在志愿者胸口）、血壓袖帶（均綁在右手上）、體溫探頭（3個體溫探頭均放在志愿者的腋下）被用來同時對志愿者進行多路生理體征參數信號進行采集，同時所有信號連接本監護系統以及上述兩款商業多參數檢測儀，對其進行30 min的測量，每6 min記錄一次心電、呼吸、血氧、脈率、呼吸、體溫、血壓、電源電壓和電流的實時數據，相關測量數據如表2。其中，每款設備在30 min內各進行兩次標準袖壓測量。

　　從表2可知，本設計電路采用12 V電源供電，平均功率1 633.8 mW,均低于力康PC-3000監護儀(2 533.4 mW)和貝瑞多參數測量儀(2 023.0 mW)，由此表明本電路功耗較低。同時本電路所測量的血氧飽和度、心電、呼吸、血氧、脈率、呼吸、體溫、血壓的平均值與力康PC-3000監護儀、貝瑞多參數測量儀所測得的數據相比均無顯著性差異，表明本測量電路所測得的多人體生理體征參數具有較高的準確性。另外本多參數監護系統可在LCD上實時顯示上述參數，且當檢測到人體特征參數數據異常時會發出報警。此外，本監護系統還可以顯示導聯脫落狀態和系統當前時間，并能對解析的串口數據進行保存，同時也可以通過藍牙或WiFi與手機或PAD進行無線傳輸。為了盡可能地減小功耗，本監護系統開機25 s若沒有任何操作便自動進入低功耗待機模式。另外，本系統通過STM32微控制系統將USART2接收到的串口數據包轉發給USART1，經MAX3232將電平轉換為RS232電平，再經串口線將串口數據包送給PC上位機。或者通過USART3經過藍牙或者WiFi與手機或PAD進行無線通信，并在裝有相應APP的手機或PAD上進行生理參數顯示，整個系統連接示意圖如圖1所示。本上位機使用C++語言，通過VisualStudio2008平臺編寫。

4 結束語

　　本文介紹了一種低功耗多生理參數測量與監護的便攜式健康監護系統，并制成了原型系統。該系統與兩款不同商用設備進行對比，結果表明，本便攜式體征監護系統可連續實時測量，且系統功耗較低，所測量的各項基本生理體征參數與兩款不同產品所測量的數據沒有明顯差異，且能在LCD上實時顯示，上位機軟件能動態地顯示波形和數據，同時可保存用戶所測量的健康信息，能為用戶健康管理數據庫的建立提供數據來源，可通過對用戶多次測量的數據進行分析來為用戶疾病的預防和治療提供較為準確的參考，同時也大大減少了用戶去醫院進行各項檢查帶來的麻煩和費用。本監護系統采用模塊化的設計，功耗低，實現容易，在醫院、家庭、養老院、健身房等場所中使用該系統可實現實時的、長期的、準確的生理參數測量及監控，在便攜式設備開發及相關領域具有較好的應用前景。

參考文獻

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