基于STM32的便携式生命体征监护仪设计

张秀娟，程飞龙

（山东科技大学 信息科学与工程学院，山东 青岛 266510）

随着生活节奏的加快，人们面临着各个方面的压力，体质普遍变差，各种疾病的发病率都呈现上升的趋势[1]。与此同时，由于生活水平和健康意识的提高，人们对自身的健康问题有了更强的预防意识，需要经常对自身的一些生命体征（例如体温、心电等）进行监测，以防患于未然。此外，对于某些心血管疾病，由于其发病具有隐匿性的特点，因此对此类可疑发病人群进行实时监护的需求也在不断增加。使用专用的医疗设备存在成本高、体积大，不便于携带等缺点，无法满足人们对生命体征进行实时测量的需要。

本仪器携带方便，仅需一个心电贴片就可以完成对人体心电信号、人体姿态和体温数据的检测和采集，并可以通过蓝牙传输数据，可以成为远程医疗系统的一个重要组成部分。同时本装置体积小巧，使用锂聚合物电池供电，能够连续使用12 h以上，可以作为夜间无人看护的替代品。

1 整体方案设计

本装置是根据市场需求而研发的一款便携式生命体征监护仪，使用STM32为核心芯片，通过贴在人体表面的心电贴片上的两个金属电极采集人体表面的电信号，经过滤波和放大处理后由A/D转换得到人体心电信号。通过内置的温度传感器和温敏电阻来检测人体体表温度，通过加速度传感器检测人体姿态变化，可以在人体生命体征数据出现异常突变时产生报警信号。系统中设计有一个8 MB的Flash，可以连续存储超过12 h的生命体征数据，监护仪采集到的生命体征数据可以通过蓝牙模块传输给手机或Pad等，数据在手机或Pad中经处理和分析后可以通过屏幕进行显示，对异常现象进行报警处理，同时还可以通过无线网络将数据上传到网络服务器。本装置采用可充电的锂聚合物电池供电，系统功耗较少，一次充电可以连续工作12 h以上，充电和监护工作可以同时进行。系统总体设计框图如图1所示。

2 生命体征监护仪的硬件设计

2.1 心电采集模块设计

心电采集模块主要采集人体体表的模拟电信号，并从中滤出人体心电信号。心电贴片上有2个金属电极，通过采集两电极之间的差分电压，从而获得心电信号。心电信号一般情况下非常微弱[2]，差分电压的幅值约为10 μV～3 mV，典型值在 1 mV左右，信号的频率主要集中在0.05 Hz～100 Hz之间。人体体表的电信号中通常还会伴随有很多干扰信号，这些干扰信号主要是由电极与皮肤之间的接触干扰、50 Hz工频干扰和其他高频干扰等组成，因此在设计电路时需要设计性能优良的放大器和滤波器，将有用信号准确地送到A/D转换引脚。

从心电贴片获得的差分信号属于高内阻的微弱信号，前级采样电路要使用高内阻差分放大器，同时为了匹配两个差分信号源的阻抗，两个信号源的输入电路要严格对称。工频干扰及通过其他途径串扰进来的干扰同属于共模干扰，因此前级的差分放大器要具有较高的共模抑制比CMRR。本系统中使用AD623作为前级差分放大器。心电信号为双极性信号，而使用的A/D转换器为单极性转换器。为了更好地满足A/D转换的线性规律，在本系统中设计有一个升压电路，将静态电压抬升到VCC/3，以确保心电信号全部在0.2 V以上。AD623的放大倍数过大时会影响共模抑制比，因此通过配置外围电路，将AD623的放大倍数设置为10倍，后级再设计100倍放大电路，系统心电采样电路总放大倍数为1 000倍，可以将心电信号的幅值放大到1 V左右，方便A/D转换器采样，A/D转换器的采样频率大于1 kHz。为滤除干扰信号，在采样电路中设计有一个带通滤波器，通带频率为0.05 Hz～100 Hz，此滤波器主要滤除高频和低频干扰。50 Hz工频干扰属于共模干扰，在系统中对心电信号的干扰比较大。本系统中使用50 Hz带阻电路滤除，带阻电路的传递函数[3]为，中心频率，Q值为，Q值越大，带阻效果越好。心电采样电路如图2所示。

2.2 蓝牙模块设计

蓝牙技术[4]是当今全球普遍使用的一种短距离无线通信技术，蓝牙的工作频率为2.4 GHz，并采取了跳频技术，避免与其他无线通信系统出现相互干扰。在蓝牙设备的工作范围内，蓝牙设备可以主动监测其他蓝牙设备，并由用户决定是否进行连接。根据发射功率的不同，蓝牙设备又可以分为不同的等级，由大到小分别为class1～class4，本系统中使用的功率等级为class2，最大传输距离为10 m，可以工作在点对点或者一点对多点的工作方式。在本系统中使用BC417作为蓝牙主控芯片，通过串口与STM32进行通信，蓝牙模块内部具有内嵌的协议栈，并建立了SPP应用框架允许蓝牙设备工作在透传模式，系统主控芯片与蓝牙模块之间采取AT命令的形式进行协议通信，允许用户设定串口发送的波特率。蓝牙模块电路设计如图3所示。

2.3 姿态、温度采集和存储模块设计

温度是人体生命体征的一项重要数据。在本系统中使用温度传感器和温敏电阻两种方式来检测体温，温度传感器选用12 bit模式，可以精确到0.1℃。温度传感器与系统主控制器之间采用I2C总线进行通信。温敏电阻采样是通过电阻分压的形式，温度改变时输送到主控制器A/D转换引脚的电压也改变，通过计算可以得到被测温度。系统可以存储采集到的温度数据，也可以实时地通过蓝牙发送数据。数据存储采用一个8 MB的Flash来实现，当没有蓝牙设备与本仪器进行连接时，系统会自动地将采集到的数据按照一定的编码顺序进行存储。Flash存储器的读写次数一般为10万次，为了延长Flash存储器的使用寿命，系统主控制器采集到的数据先会在内部RAM中缓存，存储到一定量的数据后再写进Flash。

图3 蓝牙模块电路

人体姿态采样主要是针对老年人或者小孩的监护，当被监护人意外摔倒或者出现异常的姿态时，系统就会通过上位机软件进行报警，异常的判断和处理是通过安装有分析软件的手机或者平板电脑来完成。姿态的采样是通过加速度传感器来实现，通过计算重力加速度可以计算出设备与水平面的倾斜角度，并可以通过XYZ三维数据的变化计算设备运动的方式。系统温度、姿态采集和存储器电路如图4所示。

3 软件设计

本系统使用STM32作为主控制器，系统设计有一个按键，当系统不工作时，系统中所有器件处于断电状态，电池停止向外供电。系统按键按下超过3 s，CPU使能系统供电使能引脚，此时松开按键，系统开始正常工作。若按键按下时间小于3 s，则系统供电使能信号没有触发，无法完成上电工作，此设计是用来防止用户误操作。系统上电初始化完成后即开始采样心电、温度和姿态数据，并判断是否有外部蓝牙设备与其连接，当有外部蓝牙设备与其连接时，系统会主动判断发送实时数据或者历史记录数据。当发送完成或者外部蓝牙设备断开连接时，系统仍会继续采样数据，并将数据存储进系统Flash内部。在系统运行中，若按键按下超过5 s，则系统会认为用户是需要停止使用，便会保存必须的数据，并禁止电池继续为系统器件供电。系统主流程图如图5所示。

图5 系统主流程图

4 测试结果

图4 温度、姿态和存储电路

本系统与安装有分析软件程序的手机配合使用，可以清楚地看到被监护人的心跳波形、每分钟的心跳数、人体体表温度信息和被监护人的姿态信息。手机安装软件可以分析[5]心跳波形的特征，对于心跳漏搏和心脏二连跳等异常信号能及时做出相应的报警。心电信号经过软件和硬件两层滤波设计[6-7]，可以清晰地看到干净、无毛刺的心电信号。系统界面中实时地显示人体的温度数据，当温度过高或者过低时，系统会通过相应的方式进行报警。姿态界面用一个卡通人物形象表示被监护人的实时姿态。系统还可以为每个监护仪设置独有的编号或者用户名，方便多个监护仪组网使用。

本系统具有使用方便、操作简单、低功耗和体积较小等特点。通过生命体征监护仪可以实时地采集被监护人的各项基本生命体征数据，也可以通过记录文件获取在过去一段时间内被监护人的生命体征数据。生命体征监护仪充电一次可以连续使用12 h以上，并能够连续存储超过12 h的记录文件。通过安装软件可以形象地显示采集到的生命体征数据。经大量样本采样实验证明，本系统完全能够完成生命体征数据的监护，为临床医疗或者家庭看护提供基础性的研究。系统的不足之处是还需要提高心电的模/数转换速率，缺少对人体呼吸参数的采集和监护。在后期研究中还可以集成更多的通信方式，使系统更加灵活。

[1]周兵，纪晓亮.基于ARM技术的便携式心电监护仪的设计[J].电子测量技术，2009，32(4)：80-86.

[2]Zou Yongning，Guo Zhenyu.A palm pilot based pocket ECG recorder[C].2000 IEEE MBS International Conference on，2000：110-112.

[3]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]陈轶炜，张永红，白净.基于蓝牙通讯的便携式心电监护仪的研制[J].北京生物医学工程，2008，27(2)：173-177.

[5]罗超，景林，易金聪.基于 STM32的便携式海量温度记录仪设计[J].电子技术应用，2012，38(12)：83-86.

[6]王金凤，李涛，孙漫漫.基于STM32处理的表面肌电无线采集装置设计[J].电子技术应用，2012，38(7)：78-83.

[7]LAGUNA P.Automatic detection of wave boundaries in multi-lead ECG signal validation with the CSE database[J].Comput&Biomed Res，1994，27(1)：45-60.