基于STM32的无线心率实时监测装置

2021-01-11丁莹芝毕凌志

云南化工 2020年12期

丁莹芝，毕凌志

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710300）

随着生活水平的提高，人们对健康服务的需求不仅仅限于医疗救治，更重要的是健康管理与日常监护。社会基层每年也会开展各种各样的体检，对于疾病能够早预防、早发现。伴随着生活节奏的加快，每年一次的体检已经不能满足各行各业人员的需要，频繁的去医院进行体检也是不现实的。而心率是很重要的一个人体生理参数，它反应人体心脏的健康状况。对于心脑血管疾病患者来说，采取长期连续检测心率的方法，建立预防疾病发生的防线，可很大程度上减少疾病的发病率。临床上所用的监测设备，虽然能够同时监测心率、血压等生理特征，但其为有线仪器，不仅影响到个人的正常生活，而且费用高昂，不适合个人心率的实时监测。

为了解决这个问题，本文设计了可穿戴式监测疾病设备，只需让待测者穿戴监测设备，就能实时监测待测者的身体状况，而且该设备不会对身体产生任何的副作用。目前我国类似的健康监测设备比较少见，所以开发一种可穿戴式心率实时监测设备意义重大。

1 系统总体方案设计

心率实时监测系统分为发射和接收两部分，主要包括电源模块、信号采集模块、信号预处理模块、STM32、nRF24L01、数据存储模块和LabVIEW上位机显示模块。其中MAX30102是心率和血氧传感器，灵敏度高。STM32将采集到的数据进行处理，然后通过无线通信发送给另一端的STM32进行信号还原，将还原的信号通过串口通信上传至Labview进行心率的实时监测。系统总体方案设计如图1所示。

图1 心率实时监测系统总体方案

发射部分，利用MAX30102传感器采集信号。考虑到信号可能会受到各种各样的干扰，比如汗液、潮湿度、温度等因素，因此信号预处理模块先将接收到的信号进行A／D转换、滤波、放大等一系列处理。然后发送给微控制器STM32，STM32通过I2C通信来对传感器进行配置，控制其正常运行，通过访问内部FIFO来读取反射光的光电转换值，STM32微控制器中经过提取算法计算得到参数，将数据保存在存储模块。再利用SPI通信把数据传送给nRF24L01射频模块，利用无线通信的方法把采集到的数据发射出去。

接收部分，nRF24L01射频模块接收到发射部分的数据后，通过SPI方式把接收到的信号输入给STM32进行D／A转换，然后在Labview上显示出来。

2 硬件

2.1 主控芯片STM32F407

STM32F407系列高性能微控制器，能够快速执行程序，执行效率高。功能强大，可进行超快速数据传送；设计灵活，多个I／O口，便于开发新的功能；资源充足，可满足大内存需求和大数据存储。

2.2 MAX30102心率传感器

从心电信号中提取心率数据和从压力传感器测到的波动来计算心率是可行的，但是这两种方法在提取信号时都会限制病人的活动，长时间测量可能会造成病人的不适，而光电容积法是利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同来进行血氧饱和度和脉搏的测量，使用的MAX30102传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指、手腕上来进行测量，具有操作简单、可靠性高等优点，是监护测量中最普遍的方法。

MAX30102是一个生物传感器模块，具有集成的心率监测仪和脉搏血氧仪。其光源来自对动脉血中的血红蛋白和氧合血红蛋白有选择性的特定波长的发光二极管，由于动脉搏动使充血容积产生变化，当光束透过人体外周血管时，光的透光率会也随之改变，然后光电变换器接收经人体反射的光线，并转变为电信号将其进行放大、输出。

2.3 nRF24L01射频模块

该模块抗体积小巧，干扰能力强；能满足多点通信和调频通信需要，通信效果好；低功耗工作，待机模式下状态为22μA，掉电模式下900nA；模块可利用软件设置地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接与各种单片机连接使用，软件编程方便。nRF24L01射频模块原理图如图2所示。

图2 nRF24L01射频模块原理图

2.4 串口通信模块

在串口通信的方式中，RS232通信方式按位发送和接收字节，程序编写简单，硬件接口简单，可以很方便的进行程序调试，不需要借助其他外部硬件就可实现。

2.5 Labview上位机

Labview是一种程序开发环境，与其他计算机语言相比，Labview使用的是图形化程序语言，以框图的形式产生程序，而其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码。它具有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器，用户可以根据自己需要定义和制造各种仪器，操作灵活。上位机通过接收主控芯片处理后的信号，通过串口通信将数据传至PC端，在PC端即可直观的监测心率。