張曉林，李賡，劉承橋，李柏年

（1.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000；2.浙江大學(xué)）

張曉林（碩士研究生），研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

引 言

心率是人體最重要的生理信號(hào)，反映了人的身體健康狀況。傳統(tǒng)的心電信號(hào)采集是通過十二導(dǎo)聯(lián)電極采集心電信號(hào)，只能在醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行。目前市場(chǎng)上的心率測(cè)量器可通過在指尖上佩戴傳感器測(cè)量人的心率，但這種設(shè)備不能對(duì)人體心率狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)［1］。對(duì)于老年人、孕婦等特殊人群的異常和突發(fā)狀況不能及時(shí)獲取并給予救治。因此設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控病人身體狀況，并在病人心率發(fā)生異常時(shí)給予快速有效的救援系統(tǒng)有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和BD2／GPS定位技術(shù)將病人的實(shí)時(shí)心率和所在位置發(fā)送到監(jiān)控中心，以便于醫(yī)護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)了解患者身體狀況并在發(fā)生異常狀況時(shí)采取快速有效的措施。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由人體心率監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)控軟件兩部分組成。心率監(jiān)測(cè)裝置包括定位裝置、心電采集模塊、急救按鈕、存儲(chǔ)器和GPRS無線傳輸模塊。監(jiān)控軟件運(yùn)行在普通PC機(jī)或服務(wù)器上，用于遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)病人的身體狀況和位置信息。如圖1所示，監(jiān)測(cè)裝置中的GPRS無線傳輸模塊通過基站與監(jiān)控軟件通信［2－4］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作時(shí)有如下兩種情況：

①病人身體狀況良好且未按下急救按鈕時(shí)，設(shè)備將采集到的正常心電信號(hào)和定位信息存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器MicroSD卡中，同時(shí)將心率和位置信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控軟件。

②當(dāng)病人心率異?；虬聪录本劝粹o時(shí)，設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控軟件發(fā)送報(bào)警指令。監(jiān)控軟件收到報(bào)警指令后提醒患者家人和醫(yī)護(hù)人員采取急救措施，同時(shí)監(jiān)控軟件將監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為位置信息并顯示在百度地圖上，以方便及時(shí)搶救病人。存儲(chǔ)于監(jiān)測(cè)裝置MicroSD 卡中的心電數(shù)據(jù)還可通過上位機(jī)軟件恢復(fù)成心電曲線，以方便醫(yī)護(hù)人員分析患者病情。

2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括STM32主控制器、心電傳感器、急救按鈕、MicroSD 存儲(chǔ)卡、UM220BD2／GPS聯(lián)合定位模塊、SIM900A GPRS無線傳輸模塊。本系統(tǒng)中UM220模塊和GPRS模塊分別連接STM32的串口2 和 串 口3，MicroSD 卡 采 用SPI接 口 與STM32 的SPI2接口相連。心電傳感器輸出的模擬信號(hào)連接單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行心電的采樣。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 STM32主控制器

系統(tǒng)使用意法半導(dǎo)體公司基于ARM 內(nèi)核的32 位STM32F103RBT6微控制器，主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)部集成有高達(dá)128KB的Flash和20KB的SRAM，供電電壓為2.0～3.6V，并帶有可編程電壓監(jiān)測(cè)器，有多個(gè)定時(shí)器和通信接口可用，其內(nèi)部集成的2個(gè)12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間僅1μs，輸入通道有16個(gè)之多。

2.2 心電采集

系統(tǒng)采用光電容積法采集病人的心電信號(hào)。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)會(huì)造成透光率不同來采集心電信號(hào)。使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，光源一般采用對(duì)動(dòng)脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的一定波長（500～700nm）的發(fā)光二極管，由于血液循環(huán)與心臟的跳動(dòng)有關(guān)，所以光電變換器接收到的信號(hào)反映了心臟的心電信號(hào)。光電變換器采集到的模擬心電信號(hào)一般需要通過放大、濾波、采樣、量化4個(gè)過程轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)的心電采集模塊集成了放大和濾波功能，采樣和量化由STM32F103RBT6微控制器完成。光電容積法心率測(cè)量是監(jiān)護(hù)測(cè)量中最普遍的方法之一，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高和性價(jià)比高等特點(diǎn)，便于普及推廣應(yīng)用［5－6］。

2.3 UM220定位

我國自行研制的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位通信系統(tǒng)，是世界上第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)采用和芯通星生產(chǎn)的單芯片BD2／GPS接收模塊UM220，可利用北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合定位?？臻g定位精度可達(dá)到3m，有UART、SPI、I2C 三種交互接口可用，輸出數(shù)據(jù)格式為NMEA 0183。系統(tǒng)將模塊串口與控制器串口相連，從＄GNRMC語句中提取出經(jīng)緯度信息，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控軟件。

2.4 MicroSD卡和GPRS無線通信模塊

MicroSD卡是目前廣泛使用的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，具有體積小、容量大的特點(diǎn)。系統(tǒng)將采集到的心電信號(hào)和位置信息備份到MicroSD卡中。

GPRS無線傳輸模塊是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵部分，GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立起來的，覆蓋范圍非常廣。系統(tǒng)使用的SIM900A GPRS 無線模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，非常適合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。系統(tǒng)使用該模塊發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包，將位置和心率信息傳輸給監(jiān)控軟件。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 主控制器軟件部分

主控制器是心率監(jiān)測(cè)裝置的核心部件，主要任務(wù)有：①將心電傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行卡爾曼濾波、波峰檢測(cè)、心率計(jì)算；②解析UM220 BD2／GPS模塊接收到的定位信息，并進(jìn)行均值濾波處理；③在MicroSD卡中建立FAT32文件系統(tǒng)，并將心電和位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其中；④控制SIM900A GPRS無線模塊正常工作，并利用它與后臺(tái)監(jiān)控軟件進(jìn)行通信，將心率和位置信息發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控軟件；⑤檢測(cè)心率是否異常及急救按鈕是否按下，若是，則向后臺(tái)監(jiān)控軟件發(fā)送報(bào)警信號(hào)；⑥管理和協(xié)調(diào)以上5個(gè)任務(wù)合理工作。圖3是主控制器程序流程圖。

圖3 主控制器程序流程圖

3.2 監(jiān)控軟件

監(jiān)控軟件采用Qt軟件編寫，建立UDP服務(wù)器用來接收監(jiān)測(cè)裝置發(fā)回的位置和心率數(shù)據(jù)，并在接收到急救命令時(shí)報(bào)警提醒患者家人和醫(yī)護(hù)人員采取救援措施。

監(jiān)控軟件采用多線程以保證信息接收和界面響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。程序執(zhí)行步驟如下：

①UDP服務(wù)器接收到監(jiān)測(cè)裝置發(fā)回的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，若是報(bào)警信息，則報(bào)警；

②將接收到的數(shù)據(jù)中的地理坐標(biāo)通過百度地圖提供的HTTP接口轉(zhuǎn)換為百度坐標(biāo)；

③調(diào)用JavaScript接口將百度坐標(biāo)位置顯示在地圖上，并利用HTTP接口將百度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為街道信息；

④顯示所有數(shù)據(jù)，并等待下一幀數(shù)據(jù)到來。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖4所示為根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)制作的心率監(jiān)護(hù)裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)心率的采集、濾波處理和存儲(chǔ)發(fā)送，以及BD2／GPS定位數(shù)據(jù)的正確解析和發(fā)送。

圖4 心率監(jiān)護(hù)裝置

圖5為監(jiān)控軟件根據(jù)存儲(chǔ)在MicroSD 卡中的數(shù)據(jù)恢復(fù)出的心電曲線。圖6為上位機(jī)監(jiān)控界面，能夠?qū)崟r(shí)顯示病人的正常心率為每分鐘79次，以及此次的測(cè)試地點(diǎn)為蘭州大學(xué)飛云樓，蘭州大學(xué)所在地址甘肅省蘭州市天水南路222號(hào)。

圖5 心電曲線

圖6 監(jiān)控軟件界面

結(jié) 語

本文將GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和BD2／GPS定位技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，此系統(tǒng)不限于在室內(nèi)使用，覆蓋范圍較廣，實(shí)用性較強(qiáng)。如果病人使用此系統(tǒng)，能夠?qū)⑵湫穆屎臀恢眉皶r(shí)可靠地發(fā)送到監(jiān)控上位機(jī)端，并且可以對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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