基于MSP430芯片的胸带式老人无线健康监护终端的设计

秦秀真，汪丰，周平，徐海晶，

东南大学生物科学与医学工程学院，南京，210096

0 引言

随着我国社会人口结构的老龄化，预期到2030年老年人家庭的比例将达到90%，老年人家庭将空巢化。由于老年人的机体会随着年龄的增长而发生变化，导致老年人突发性心脏疾病和意外跌倒的事故会越来越多。若能对老年人远程监护，实现突发事件报警，医护人员实施及时抢救，则会减少老年人意外事故的发生[1]。

本文设计的空巢老年人实时监护终端，采用织物式心电电极和三维加速度传感器，并支持蓝牙无线通信。当监护终端检测到老年人发生心率异常或跌倒时，则会通过无线蓝牙技术实现报警，实施及时救助，避免意外状况发生。

1 系统的结构设计

本系统基于T I公司的超低功耗1 6 b i t 的MSP430FG4618为核心，采用电子织物电极的心电胸带，设计了老年人监护终端。该终端可以将检测出的人体心电信号传输给心电信号采集单元[2]。在结构上，此终端集成了电源模块、信号采集模块、信号处理模块和蓝牙通讯模块。其结构和实物如图1和图2所示。

图1 系统的结构Fig.1 The structure of the system

图2 监护终端电路实物图Fig.2 Implementation for the monitoring terminal

1.1 信号采集模块

在传感器的选择上，我们选取电子织物电极获取心电信号，这是心电采集的一大特点。可以拉伸的导电容性织物里的导电银，具有与莱卡一样的舒展。这种92%尼龙和8%的多拉斯坦（Dorlastan）织物上镀了银，提供了在两个方向伸展的独特能力，利用这种镀银电极和人体之间的容性耦合来实现信号的检测。

三轴加速度传感器装置里采用LIS302DL芯片，是意法半导体推出的三轴加速传感器芯片。LIS302DL小型低功耗是MEMS三轴加速度计。包括有传感元件和能通过I2C/SPI串行接口提供测量加速度的IC接口,量程范围是-8 g～-2 g；2 g～8 g，具有线性的数字输出，数据输出速率为100 Hz或400 Hz。

1.2 处理器单元

系统的监护终端选择TI公司的超低功耗16bit单片机MSP430FG4618作为控制与计算单元，外设包含了高性能的12bit的A/D转换器、高速的SPI总线和USART接口等。片内总线具有DMA通道，从A/D转换器得到的数据可以直接送往各总线接口而不需要CPU干预，从而简化了系统的硬件电路，大大降低了系统的成本。

1.3 数据存储单元

在系统采集数据时，为了分析老年人的心率失常，需要将传感器的原始数据存储分析。但MSP430FG4618的RAM只有8KB，因此我们采用MACRONIX公司生产的型号MX25L1605DM1I-12G的Flash芯片对微处理器进行RAM扩展，单片机通过内部集成的USCIA模块的SPI模式与Flash芯片通讯[2]。

1.4 无线通讯模块

无线通讯模块采用蓝牙模块IDS-BM4A实现。MSP430通过内部集成的UART接口实现与蓝牙模块通讯。利用蓝牙通讯模块完成与手机等网关设备的信息的交互。

2 软件设计

软件系统主要分为主程序和中断处理程序两部分；按功能又可以分为主程序、信号采集程序、心率检测程序、跌倒检测程序和通讯程序。整个软件利用MSP430FG4618的IAR编译器，采用分层结构编写。

2.1 主程序

主程序模块主要是将各个模块进行协调和数据交互，完成各种配置寄存器的初始化。当监护终端上电或复位后，主程序完成参数的初始化功能，开启中断，进入主循环。在循环的过程中，主要完成对采集的心电信号数字滤波、去基线漂移以及心率计算，若检测到心率异常，则进行报警。利用三轴加速度传感器对人体活动产生的加速度信号进行采集，然后由MSP430的微处理器对信号进行预处理，采用中值滤波器滤除加速度采集装置采集值的噪声。若检测到跌倒，则启动无线蓝牙报警。

监护终端的中断包括心电信号的模数转换和定时器中断。定时器Timer_A控制系统的5s的心电数据采集，若5s没有完成数据处理，则强制系统回到循环起始位置，定时器A是通过软件设置其寄存器完成上述功能，当计时寄存器计数满时，就会产生中断控制心电信号的采集。

2.2 信号的获取

A/D转换接口是数据采集前向通道中的一个重要环节。本设计中A/D转换部分软件实现心电模拟信号转换为数字信号，以便后面进一步的分析处理。通过MSP430提供的A/D部分的寄存器完成模数转换的工作方式，有定时器A完成采样频率的设定，定时器A是通过软件设置其寄存器完成上述功能。当计时寄存器计数满时，就会产生中断，在中断中，先停止A/D的转换，读取数据后启动A/D转换，然后再等待下一次中断的到来。

由于加速度信号获取采用三轴加速度传感器LIS302DL，直接提供数字信号，我们通过传感器提供的I2C/SPI串行接口，直接读取我们所需要的三轴加速度信号。

2.3 心率和跌倒的检测

我们所获得的心电信号，首先进行平滑滤波，即去除基线漂移、陷波、R波检测以及进行心率检测。当检测到心率失常（过低或者过高）时，就启动蓝牙无线传输发送给PDA端，以进行及时的救助[1]。

加速度信号是采用50 Hz采样加速度计的信号得到。由于人体活动产生的加速度信号频率主要是处在0～20 Hz之间，跟重力加速度分量完全叠加在一起[3]，故我们通过20 Hz的3阶低通滤波器滤除与人体活动无关的干扰信号。然后，利用3个轴向加速度信号的大小，采用阈值判别法以及与三个方向的夹角来进行跌倒检测。不同跌倒类型的信号在波形上存在很大的相似度，在跌倒发生的瞬间都有一段非常大的尖脉冲出现，跌倒动作在1 s的时间内完成。基于此，选择特征值其中，A、B、C分别为X、Y、Z轴的原始加速度经过中值滤波后的值[3,4]。综合分析测得的多组数据，设定阈值为e=0.831，当e＜0.831时，初步判定有可能发生跌倒。但是，此阈值的触发也有可能是突然站起或者转身等动作引起的，应对选取阈值触发后的10 s的数据进行进一步观察，根据数据的变化大小，进一步判断是否发生跌倒[5-6]。

2.4 无线蓝牙通讯

监护终端的蓝牙通讯功能采用蓝牙模块IDSBM4A。单片机通过内部集成的UART接口与蓝牙模块通讯，监护终端以中断方式将心率或跌倒的报警信号经蓝牙无线传输到PDA端。

通过软件设置MSP430内部的特殊功能寄存器U1CTL |= CHAR，配置为不校验，8bit数据传送，U1RCTL默认设置，所有接收到的信息都是为数据。设置UART的工作模式，采取中断方式向PDA端发送报警信息。

3 结果

本设计完成心率的检测，提供异常心率和跌倒报警，为远程监护系统的发展提供了基础，同时实现对空巢老年人的远程监护。当检测到发生突发性事件时，实现报警，医护人员实施及时的抢救，则会减少老年人意外事故的发生。心率的检测是基于织物式电极，避免了传感器与人体的直接接触。当检测到跌倒或者心率异常时，系统启动无线蓝牙通讯，向远程PDA端发出报警，有效处理老人意外跌倒或心脏病突发等紧急情况。

[1]陈炜, 佟丽娜.基于惯性传感器件的跌倒检测系统设计[J].传感器与微系统, 2010, 29(8): 124-129.

[2]Wang Feng, Xu Haijing, Zhou Ping, et al.Design of a portable wireless ECG monitoring terminal, 20111st International Workshop on Complexity and Data Mining[A].IWCDM[C], 2011

[3]文耀锋.一种实时的跌倒姿态检测和心率监护系统的研究[D].杭州: 浙江大学, 2009

[4]Rougier, Caroline .Fall Detection from Human Shape and Motion History using Video Surveillance .21st International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops(AINAW'07)[C]: 875-880.

[5]O'Loughlin JL, Robitaille Y, Boivin JF, et al.Incidence of and risk factors for falls and injurious falls among the community-dwelling elderly[J].Am J Epidemiol, 1993, 137(3):342-354.

[6]闽超.基于加速度信号的跌倒检测算法研究[D].南京: 东南大学, 2010

[7]朱大缓.非接触式心电检测系统的研究[D].成都: 西南交通大学, 2008