一种便携式多体征参数监护系统的设计及实现

0 引言

近几年来，随着居民健康需求的日益提高，以及新技术、新材料和新型生物传感器的不断发展，针对不同体征信号开发的各类小型化、低成本、低功耗便携式医疗设备大量涌现,并逐渐受到不同人群的欢迎[1]。分立式血氧仪、心率计、体温表、心电仪等便携式产品在大中型城市家庭中逐渐应用普及。但当前集多种生理参数监护功能于一体，同时兼顾可靠性、稳定性、精确性、实时性、小型化、低成本和低功耗等特性，用于家庭实时长期的生理监控及预警的便携式体征参数监护仪还有所缺乏[1]。因此，研究一款适合于普通家庭使用的多体征参数健康监护系统具有现实意义及巨大的市场前景。基于上述考虑，本文设计了一款可实时测量心电、呼吸、血压、血氧、脉率和体温的多功能便携式人体特征参数监护系统。本系统是一款集家庭诊断与疾病指导、医疗保健为一体，并能为用户同步保存生理参数信息的实时监护系统，对数字化医疗和家居健康远程信息系统的构建具有重要意义。

1 系统设计

本健康监护系统由人体生理参数采集电路、STM32微控制电路和软件滤波实现等部分组成，其中人体生理参数采集电路包含血氧、心电、呼吸、脉率、心率、体温、血压等采集模块;微控制电路部分以STM32为控制核心，由电源管理模块、人机交互按键模块、蓝牙4.0模块、RS-232模块、SD存储模块和LCD显示模块组成，系统整体结构框图如图1所示。

人体生理参数采集电路通过外接传感器探头获得原始信号，经硬件滤波、去噪、放大处理后，再通过A/D采集获得心电、呼吸、脉率、血氧、体温、血压和心率等健康信息，并打包成固定格式的串口数据包，再通过STM32微控制电路将参数板所获得的串口数据保存在SD卡中，同时STM32微控制电路板对所获得的串口数据包进行解析，通过3.2英寸的LCD液晶屏实时显示人体体征参数。当测量数据有异常时，通过警报模块进行提醒，另外使用MAX3232将TTL电平转换成RS232电平,再与PC的COM口连接，通过PC端上位机软件实时动态显示人体基本体征参数和波形。为了提高设备的适用范围，本系统可通过蓝牙BLE模块和WiFi模块与手机或PC进行无线连接。装有相应APP软件的设备即可实时动态显示人体相关体征数据和波形。

1.1 人体生理参数采集电路

人体生理参数采集电路原理框如图2所示。主要由JTAG下载接口电路、12 V供电电路、RS232/TTL电平转换电路、电泵充放气电路、4路传感器驱动采集电路等组成，而传感器采集电路主要由无创血压NBP接口、血氧测量接口SpO2、心电ECG接头、体温探头接口TEMP等4个传感器接口组成人体生理采集电路的传感器输入端，分别获得血压、心电、血氧和体温等原始信号后，再经过与之对应的测量模块预处理后送给MCU。并采用免疫遗传算法和多孔算法把心电电路采集到的数据进行滤波处理，并通过IIR滤波器对脉搏波进行数字滤波，再提取特征值，获得人体的呼吸波和脉率等体征数据，然后通过基于卡尔曼滤波的多路数据融合估计算法得到呼吸率[2-3]，最后将获得的体温、脉率、呼吸、心电、血氧、血压等信息打包成波特率为115200的固定格式串口数据包进行有线或无线传输。

1.2 基于STM32的外围接口电路设计

STM32F103VCT6是意法半导体生产的一款32位高性能嵌入式微处理芯片，该芯片具有丰富的外设接口，2～3.6 V低电压供电，多达80个标准IO口，且工作频率可达72 MHz，内嵌高速Flash和RAM存储器，同时具有3个SPI、2个I2C、2个I2S、3个USART、2个UART，并支持USB、SDIO、CAN总线接口，是专门为满足高性能、低功耗、实时应用系统而设计的一款嵌入式微处理器[2-4]，且该芯片能很好地满足本监护系统的控制、传输、数据保存、显示和报警功能。基于上述的优点，本监护系统采用STM32F103VCT6作为为微控制系统的核心处理器，STM32微控制器外围接口电路如图3所示。

1.2.1 电源管理模块设计

电源管理模块包括系统供电电路和电池充电电路。本系统采用12 V直流电源供电，通过LM2576S芯片获得5 V电压输出，经AMS1117输出3.3 V电压为MCU提供电能，系统上电后进入待机低功耗模式，当按下开机键时，MCU通过检测按键外部中断的方式使Q1导通，继电器K1闭合，经U3和U4电压转换后输出3.3 V为外围电路提供电压。此外，本电路MCU自带3 V铝壳电池，在系统断电后为系统提供RTC实时时钟，同时通过12 V锂电池为系统提供备用电源，在无外接电源接入时保障本系统能继续正常工作。系统电路原理图如图4所示。

本监护系统备用电池采用三节锂离子电池串联的方式，总容量为3 700 mAh。其充放电管理电路采用PWM降压型锂离子电池充电管理芯片CN3703，该芯片具有恒流和恒压两种充电模式。为使电池能够较快速地充电，本电路充电电流设定为400 mA，RCS选择0.5 Ω;当电池电压继续上升接近恒压充电电压12.6 V时，充电器进入恒压充电模式，此时充电电流逐渐减小。当充电电流减小到EOC管脚电阻设置的值时，DRV管脚输出高电平，此时漏极开路输出管脚内部的晶体管关断，输出为高阻态，充电结束。另外无输入电源电压输入或者拔下直流输入电源时，CN3703为减少电池的电流消耗，延长待机时间自动进入睡眠模式，此时MCU控制Q1导通，此时通过12 V锂离子电池给整个系统供电。电池充电电路原理图如图5。

1.2.2 SD卡存储模块

当STM32微控制器系统通过串口获得多参数采集电路的串口数据包时，STM32微控制器需要对SD卡进行写操作，把获得的人体多参数信息以TXT文本文件的形式记录在SD卡中。为了节省STM32的引脚资源以及简化电路设计，同时又满足本系统6.5 kb/s的串口传输速率，本系统采用SPI方式对SD卡进行读写操作。另外，采用FAT32文件系统对SD卡进行访问，一方面减轻了操作SD卡的工作量，另一方面只要调用其提供的函数便可方便地对文件进行读写删改等操作[4]。

1.2.3 LCD液晶接口设计

本监护系统采用3.2英寸320×240 HY32D-LCD液晶对监护信息进行显示，且采用FSMC模块来控制液晶,能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，且FSMC访问外部设备时序可编程，可把液晶屏当作外部存储设备来使用，能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据、地址、控制信号类型以匹配信号的速度，更好地满足了监护系统设计对LCD接口、产品体积以及成本的综合要求。

1.2.4 蓝牙4.0无线传输模块

由于蓝牙4.0具有低功耗、低成本、低延迟以及跨厂商互操作性等优点，逐渐成为无线近距离低功耗传输的首选，本文选用ITL2540低功耗蓝牙模块作为监护系统的无线传输模块，通过串口与STM32微控制系统进行数据流传输。

1.2.5 WiFi无线传输模块

本系统采用新力维公司生产的XLW002X作为无线传输WiFi模块，该模块集成了MCU，且符合802.11b/g、2.4G标准的无线射频收发器、TCP/IP协议栈和应用程序，并且提供包括UART、SPI、I2C、I2S在内的丰富外部I/O接口，在本系统中采用UART进行串口数据传输。

2 基于STM32的滤波实现

在多生理参数采集系统的信号处理过程中，首先采用免疫遗传算法和多孔算法对STM32采集到的心电、呼吸原始信号进行软件滤波，并采用IIR滤波器对脉搏波进行数字滤波，再通过基于卡尔曼滤波的多路数据融合估计算法得到呼吸率。而在脉搏血氧信号的放大与检测中，50 Hz工频干扰、人体皮肤导致的空间电磁干扰及高频杂波干扰尤为严重[5]，本监护系统设计了整系数IIR数字滤波器，其数学模型如下：

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

(1)

式中：X(n)表示滤波前的信号，Y(n)表示滤波后的信号。在脉搏容积波信号的处理中，采用9点平均的方法对其滤波，其滤波公式：

Y[n]=(X[n-4]+X[n-3]+…+X[n+2]+X[n+3]

+X[n+4])/9(2)

经实际应用验证，上述方法可以对脉搏波进行有效滤波，为进一步对波形分析以及计算生理参数提供了理论依据。系统根据采集到的心电波形计算出心率参数[6]，根据脉搏波形计算出血氧脉搏波和血氧饱和度等参数。考虑系统实时性的要求并结合芯片的运算速度和串口数据包的传输速度，本设计采用阈值判别算法，并将心电、呼吸、血氧、脉率、血压、体温等生理参数以固定格式的串口数据包进行传输。

本系统在KEIL MDK平台下开发，采取开串口中断接收的方式，经过各种初始化处理之后，系统进入中断函数，当STM32微控制器的USART2串口接收到串口数据时，微控制器将USART2串口数据进行转发给USART3，同时将对转发的串口数据包进行解析，然后在LCD液晶上进行显示，并将解析得到的有用数据保存到带有文件系统的SD卡中。

为了保证数据传输的准确可靠性，本健康监护系统所传输的串口数据包由1字节包类型ID字节+N(N≤8)字节数据+1字节校验和构成。串口包的最大长度为10个字节，其中数据部分的最大长度为8字节，由1个数据头和N-1个数据构成。另外为了保证数据传输的准确性和可靠性，每个包的数据头依次包含了数据字节的最高位，并且，数据头的最高位Bit7为0，且数据校验和的最高位Bit7为1。串口数据包格式如表1。

3 系统功能测试

为了测试本便携式多参数体征监护系统的准确性、可靠性以及电路的功耗，本实验选取两款商用高精度便携式多生理参数测量仪进行比较。在本系统测试实验中，志愿者坐在椅子上，五导联心电信号导联线、脉搏血氧仪探头(分别放在志愿者的3个手指头上)和呼吸带(绑在志愿者胸口)、血压袖带(均绑在右手上)、体温探头(3个体温探头均放在志愿者的腋下)被用来同时对志愿者进行多路生理体征参数信号进行采集，同时所有信号连接本监护系统以及上述两款商业多参数检测仪，对其进行30 min的测量，每6 min记录一次心电、呼吸、血氧、脉率、呼吸、体温、血压、电源电压和电流的实时数据，相关测量数据如表2。其中，每款设备在30 min内各进行两次标准袖压测量。

从表2可知，本设计电路采用12 V电源供电，平均功率1 633.8 mW,均低于力康PC-3000监护仪(2 533.4 mW)和贝瑞多参数测量仪(2 023.0 mW)，由此表明本电路功耗较低。同时本电路所测量的血氧饱和度、心电、呼吸、血氧、脉率、呼吸、体温、血压的平均值与力康PC-3000监护仪、贝瑞多参数测量仪所测得的数据相比均无显著性差异，表明本测量电路所测得的多人体生理体征参数具有较高的准确性。另外本多参数监护系统可在LCD上实时显示上述参数，且当检测到人体特征参数数据异常时会发出报警。此外，本监护系统还可以显示导联脱落状态和系统当前时间，并能对解析的串口数据进行保存，同时也可以通过蓝牙或WiFi与手机或PAD进行无线传输。为了尽可能地减小功耗，本监护系统开机25 s若没有任何操作便自动进入低功耗待机模式。另外，本系统通过STM32微控制系统将USART2接收到的串口数据包转发给USART1，经MAX3232将电平转换为RS232电平，再经串口线将串口数据包送给PC上位机。或者通过USART3经过蓝牙或者WiFi与手机或PAD进行无线通信，并在装有相应APP的手机或PAD上进行生理参数显示，整个系统连接示意图如图1所示。本上位机使用C++语言，通过VisualStudio2008平台编写。

4 结束语

本文介绍了一种低功耗多生理参数测量与监护的便携式健康监护系统，并制成了原型系统。该系统与两款不同商用设备进行对比，结果表明，本便携式体征监护系统可连续实时测量，且系统功耗较低，所测量的各项基本生理体征参数与两款不同产品所测量的数据没有明显差异，且能在LCD上实时显示，上位机软件能动态地显示波形和数据，同时可保存用户所测量的健康信息，能为用户健康管理数据库的建立提供数据来源，可通过对用户多次测量的数据进行分析来为用户疾病的预防和治疗提供较为准确的参考，同时也大大减少了用户去医院进行各项检查带来的麻烦和费用。本监护系统采用模块化的设计，功耗低，实现容易，在医院、家庭、养老院、健身房等场所中使用该系统可实现实时的、长期的、准确的生理参数测量及监控，在便携式设备开发及相关领域具有较好的应用前景。

参考文献

[1] 汪巍巍.多生理参数无线远程医疗健康监护系统研究[D].成都：电子科技大学，2013：2-5.

[2] 武利珍，张文超，程春荣.基于STM32的便携式心电图仪设计[J].电子器件，2009,6(10)：36-39.

[3] 代少升，张跃孙，张和君.便携式远程心电实时监护仪的研制[J].医疗卫生设备，2006，27(9)：1-2.

[3] 雷茂岭.浅谈基于无线网络技术的多参数监护仪[J].医疗装备，2010，12(4)：14-16.

[4] 马丽娟.便携式多点温度同步采集系统设计[J].山西电子技术，2011(4)：14-15.

[5] 戴明，王琪，吴万庆.一种低功耗脉搏血氧饱和度测量系统的设计[J].电子技术应用，2014，40(10)：53-56.

[6] 夏黎明，夏立扬，张宜川.多参数监护仪的基本性能及应用[J].医疗设备信息，2007，22(10)：32-35.