基于STM32的智能心電采集和傳輸系統

2019-12-11 10:00:03 物聯網技術 2019年11期

王立剛

摘 要:為了滿足人們對實時健康監護的需求,設計了一種基于STM32的心電采集和傳輸系統。該系統以STM32F411RET6為核心主控,主要由心電信號采集模塊、藍牙無線傳輸模塊和用于心電顯示與處理的上位機和手機模塊組成,給出了硬件電路的設計方案及軟件程序流程。通過系統調試,系統硬件可以完成心電信號的采集、處理與傳輸,系統軟件也實現了基本的數據接收與作圖功能。系統功耗低,有較好的穩定性和實時性,可以實現對心電信號的實時顯示和存儲。

關鍵詞:單片機;心率傳感器;藍牙;串口通信;ECG;Android;移動健康

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:2095-1302(2019)11-00-03

0 引 言

結合目前發展較為完善的網絡,通過便攜心電監測系統的檢查,有助于心血管疾病的早期控制和有效治療。另外,進一步發展便攜式心電監測系統有利于在社區形成獨立的醫療網絡體系,從而可以更好地照顧社區內的老人,社區內及時監測日益增長的老齡化人口具有重要意義。本設計是以STM32F411RET6為核心主控的一款心率檢測設備。Android APP使用藍牙通信獲取單片機端的數據。

1 系統總體設計方案

系統基于模數轉換實現外部信號的采集,然后再對獲得的數字量進行分析、處理及顯示。系統組成如圖1所示。

硬件由基于STM32F411RET6的核心控制板,基于TI CC2541的藍牙4.0模塊以及心率傳感器組成。心率傳感器是一種反射式光電心率傳感器,傳感器輸出模擬量,借助STM32的A/D轉換,經分析處理得到數字信號,進而獲得心率值BPM和心率間隔IBI等生理信號。

硬件系統核心基于STM32F411RET6,連接心率傳感器獲取生理信號,通過低功耗藍牙與手機通信,經USB2UART與PC端通信。

2 系統硬件設計

2.1 心率傳感器模塊

系統采用反射式光電心率傳感器,該傳感器輸出模擬量,在采集時需要進行A/D轉換才能成為供主控芯片分析處理的數字信號。經過分析和計算可以獲得脈搏值、心率值及相鄰心拍間隔時間等。

2.1.1 測量原理

心率傳感器基于光電容積法[17],其理論依據為Beer-Lambert Law,即一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時,該單色光的吸光度A與吸光物質的濃度c、吸收層的厚度d成正比。心率傳感器進行生理信號采集的基本原理:利用人體組織在血管血液流動時產生的不同的透光率。心率傳感器整體結構如圖2所示。

實際上,心率傳感器的原理基于反射式光電容積脈搏法。由圖2可知,發光光源即本設計中使用的綠光LED發出光到皮膚表層,然后光接收器即APDS-9008接收反射回來的光信號,該信號經濾波電路、放大電路后輸出模擬信號。

2.1.2 心率傳感器電路

心率傳感器電路如圖3所示,由圖中可以看出心率傳感器為單路輸出。

2.2 藍牙通信模塊設計

本設計的藍牙通信基于藍牙4.0模塊,為低功耗藍牙。

系統使用的核心芯片是TI公司設計生產的TICC2541,它是一款針對BLE以及private-2.4 GHz應用的SoC解決方案。USB2UART電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計分為三部分,如下所示:

(1)第一部分是單片機端,基于A/D轉換的數據采集與分析部分;

(2)第二部分是Windows端的上位機部分,主要完成ECG信號的波形顯示;

(3)第三部分是Android客戶端,用于完成手機和單片機之間的通信。

數據采集與分析部分主要由心率傳感器采集數據,之后傳輸到STM32單片機進行數據處理與分析,得到心率值BPM和相鄰心率間隔數據IBI,最后單片機通過UART將數據傳輸至電腦上位機,經低功耗藍牙將數據傳輸至手機客戶端。整體設計如圖5所示。

整體設計分為5大模塊,分別為生理信號采集模塊、A/D轉換和數據處理模塊、數據傳輸模塊、上位機顯示模塊、Android端顯示模塊。

4 系統調試

系統調試主要展示系統的運行結果,將按照硬件調試和軟件調試分別說明。

4.1 系統硬件調試

系統硬件調試的目的在于實現信號傳輸的完整性。系統由心率傳感器、主控板、藍牙通信模塊以及USB供電通信線組成。經過基本調試,心率傳感器可以獲取皮膚表層生理信號,經過放大后傳輸至STM32主控,經A/D轉換后可將信號傳輸至PC端。

4.2 系統軟件調試

系統軟件調試主要是PC端上位機的數據接收與作圖調試和Android端藍牙數據接收調試。

4.2.1 上位機調試

PC端上位機主要用于處理通過USB獲取的數據,并做出ECG心率圖。圖6所示為上位機的工作界面,共有5部分顯示內容,即頂部的Title顯示,顯示學校及個人昵稱;處于主要部分的ECG顯示串口;右上角的心率值顯示;底部的放縮率顯示;右下角的心率間隔IBI顯示。

由圖6可以看出,上位機完成了基本功能—ECG作圖和心率值顯示,另外還添加有圖像放縮顯示功能。

4.2.2 Android端調試

系統的Android端主要通過手機自帶的藍牙與硬件采集裝置進行通信。開啟軟件后,首先會彈出Alert對話框要求打開藍牙,如圖7所示。點擊同意打開之后,軟件開始掃描可用的BLE設備,如圖8所示。由于測試時僅附近有系統的藍牙,所以發現設備列表中僅顯示一個設備。之后點擊連接可用的藍牙設備,連接成功后即可進行數據傳輸,藍牙連接成功界面如圖9所示。Android完成了基本的藍牙掃描、連接與數據傳輸。

5 結 語

基于移動醫療的背景進行方案選擇與整體系統設計,通過系統調試,系統硬件可以完成心電信號的采集、處理與傳輸,系統軟件也完成了基本的數據接收與作圖功能,系統功能得以實現。但需要注意的是該心率檢測裝置精度不高,目前不適用于專業醫療領域的心率檢測。

參 考 文 獻

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