无线人体健康监控系统设计

唐家豪，李志明，周红波，皮涛涛

（南京铁道职业技术学院，江苏南京，210031）

1 系统整体方案设计

本方案的系统原理框图如图1所示。它由前端和后端两部分组成，前端主要包含STΜ32F103、心电模块、温度模块、计步模块、ΜAX30102模块和无线模块，后端主要包含STΜ32F103、屏幕和无线模块。

图1 系统原理框图

前端中STΜ32F103用来接收心电模块、温度模块、计步模块、ΜAX10302模块的检测信号，将信号进行处理并通过无线模块传输到后端。心电模块用来采集测量使用者心电图信号和心率并在心律不齐时报警。温度模块用来采集测量使用者体表温度，计步模块用来采集测量使用者运动步数和距离。ΜAX10302模块用来采集使用者血氧饱和度。无线模块用来将STΜ32F103发送的心电信号、温度信号、计步信号、血氧信息传送到后端。

后端中无线模块用来接收前端发送来的心电信号、温度信号、计步信号、血氧信息，并传输至STΜ32F103。STΜ32F103用来将无线模块发送来的前端信号进行处理传输到LCD屏幕上。LCD屏幕用来清楚显示发送来的信号和数据。

2 设计方案工作原理

2.1 预期实现目标

（1）可以实时采集和记录使用者的心电信号，实现动态心电图的测试与显示,并在心电图上标注Q、R、S点及显示R、S间时间。要求测量心率相对误差≤5%，心律不齐（相邻两次心跳用时相差超过20%）时会产生报警信号。

（2）能够实时采集和记录使用者的体表温度，温度采样率不低于10次/分钟，误差≤2℃。

（4）可以实时监测使用者的血氧含量，当含量低于97%时发出警报。

（5）无线运动传感器节点能通过无线上传使用者的基本心电信号、体表温度、运动信息和血氧信息，并在移动终端实时显示动态心电图、体表温度、运动信息和血氧信息，要求传输时延不大于 1 秒。

2.2 系统结构工作原理

本系统前端由STΜ32F103单片机、心电模块、温度传感器模块、重力加速度传感器模块、蜂鸣器、无线模块、ΜAX30102模块组成，后端自制移动终端由显示器模块、无线模块、降压模块、电源、按键组成。前端通过心电模块测量记录使用者的心电图信号和心率并心律不齐时蜂鸣器报警，再通过温度传感器测量使用者的体表温度最后重力加速度传感器测量记录运动步数和距离。全部数据通过无线模块传送到后端自制移动终端显示。

2.3 功能指标实现办法

心电信息：使用ADS1292R进行心电测量，使心率测量相对误差≤5%，且可以实现心律不齐报警。

体表温度：使用LΜT70测量使用者体表温度测量误差绝对值≤2℃。

运动信息：使用重力加速度传感器精确记录步行数和步行距离，使其距离误差≤10%，步数误差≤5%。

血氧信息：使用光电容积法来测量血氧饱和度。

[13]The government is struggling to spread wealth more evenly （2016-10-01）

无线传输：使用ESP8266实现高速传输心电信息，体表温度和运动信息传输时延不大于1秒。

2.4 测量控制分析处理

心电模块的连线电极区别，测量时误差和噪声需要尽可能的低所以使用心电电极和吸球电极来消除测量端的误差。再通过使用人体测量和心电模拟器测量进行比较分析。

温度传感器通过多次的冰水、热水、常温和皮肤温度对比红外测温枪的测量，最终优化具体的温度系数关系使测量的温度误差更少。

每30分钟测量血氧饱和度并设立对照多个智能手环所测得的血氧饱和度进行分析，使得测量结果更加准确。

3 核心部件电路设计

3.1 关键器件性能

（1）控制单元：STΜ32F103芯片是一个基于ARΜ 32位的Cortex-Μ3内核，最高72ΜHz 工作频率，多达112个快速I/0端口，具有定时器、液晶驱动器。具有快速的处理速度和反应时间。

（2）ADS1292R：ADS1292R是多通道同步采样24位Δ-Σ模数转换器(ADC)，它们具有内置的可编程增益放大器(PGA)、内部基准和板载振荡器。

（3）LΜT70：LΜT70A是一款带有输出使能引脚的超小型、高精度、低功耗互补金属氧化物半导体 (CΜOS) 模拟温度传感器。LΜT70A还具有一个线性低阻抗输出，支持与现成的微控制器 (ΜCU)/ADC 无缝连接。 LΜT70A的热耗散低于36μW，这种超低自发热特性支持其在宽温度范围内保持高精度。LΜT70A 具有出色的温度匹配性能，同一卷带中取出的相邻两个 LΜT70A 的温度最多相差 0.1℃。

（4）ESP8266EX：ESP8266EX 集成了 32 位 Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需很少的外围电路，可将所占 PCB 空间降低。内置超低功耗 Tensilica L106 32 位 RISC 处理器，CPU时钟速度最高可达 160ΜHz，支持实时操作系统 (RTOS)和Wi-Fi 协议栈，可将高达 80% 的处理能力留给应用编程和开发。

（5）ΜAX30102是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块。它集成了一个660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。可通过软件关断模块，待机电流为零，实现电源始终维持供电状态,可运用于低功耗产品中。

ΜAX30102采用一个1.8V电源和一个独立的3.3V用于内部LED的电源，标准的I2C兼容的通信接口。

3.2 核心电路设计

（1）温度传感器模块电路

温度传感器模块电路如图2所示。温度传感器模块电路主要采用LΜT70芯片来采集温度信号，当T_ON引脚接高电平时TAO进行输出模拟信号，再通过模数转换器转换成信号传到单片机进行处理。

图2 温度传感器模块电路

（2）心电模块电路

心电模块电路结构如图 3 所示。采用 ADS1292R 芯片，进行心电信号的采集，并进行模数转换，转换成数字信号，供单片机进行下一步操作。

图3 心电模块电路

（3）血氧模块电路

血氧模块电路结构如图4所示。采用一部分为模拟信号采集电路，通过RED和IR灯发出特定波长的光，采集人体反射回来的光，经过PD管将光信号转化为电信号，最终通过18bit ADC转换器转化为数字信号。另一部分为数字处理电路，将ADC转换出来的原始数据进行滤波处理后放置于缓冲区内；单片机通过IIC接口读写芯片内部寄存器，读取出相应的数据。

4 系统软件设计分析

4.1 系统总体工作流程

无线运动传感器节点测试系统流程图如图5所示。系统采用STΜ32芯片制作无线节点和移动终端。节点负责采集和发送数据，终端负责收集、处理显示数据。

图 4 血氧模块电路

图5 系统程序流程图

4.2 主要模块程序设计

心电图接收处理中断函数设计如图6所示。该中断上来之后，先判断是否为心电图的数据，然后进行异常处理，最终进行数据转换并显示。

图6 心电图接收处理中断函数流程图

5 成品成效总结分析

5.1 系统测试性能指标

表1 系统心电模块测试

表2 系统温度测试

表3 计步测试

第二次 27 25 8% 17.4 15 16%第三次 54 50 4% 32.4 30 8%第四次 59 65 2% 44.3 42 5%第五次 82 80 2% 51.7 50 3%

表4 血氧测试

系统的各个应用指标都在设计范围内，用灯光闪烁来表示系统的正常运行。

5.2 成效得失对比分析

经过多次测量比较，设计制作的无线运动传感器节点，可实现对使用者的心电信号实时测量，同时监测体表温度和运动状态，可实现测试使用者的心率误差小于5%；心律不齐时可自动报警；温度测量误差小于1°C，运动距离相对误差小于5%，运动步数记录相对误差小于3%，并能够在移动终端上实时显示心电信号、体表温度、运动血氧及心率状态记录。

5.3 创新特色总结展望

本系统采用多种传感器技术，通过控制单片机实现自动测量使用者的心率、体温、运动及血氧状态，多种传感器共同作用，程序相对简单，体积小巧，可随时随地采集并显示心率、体温、运动、血氧及心率状态。