基于STM8的士兵心率呼吸率監測預警裝置設計*

石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進

(北京理工大學 光電學院 北京精密光電測量儀器與技術重點實驗室，北京 100081)

基于STM8的士兵心率呼吸率監測預警裝置設計*

石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進

(北京理工大學 光電學院 北京精密光電測量儀器與技術重點實驗室，北京 100081)

本文闡述了一種基于STM8的士兵心率呼吸率監測預警裝置的設計和實現方法。裝置由脈搏波傳感器、信號預處理電路、微處理器、電源模塊、報警模塊組成。經過實驗驗證:設計能進行長時間的心率呼吸率低負荷連續監測，適用于士兵訓練時的心臟功能和肺功能的監測，能很好地實現其預警功能，避免訓練事故發生，具有較好的實用價值，有望在未來的士兵訓練場上發揮重要作用。

士兵訓練； 光電容積脈搏波； 心率； 呼吸率

0 引 言

在軍事訓練中，常因士兵達到生理極限而發生訓練事故,而士兵體能的訓練與心臟功能和肺功能的關系十分密切。士兵健康狀態評定的常用指標有心率、呼吸率等。經過醫學分析,訓練事故發生前士兵的心率呼吸率等均會出現異常[1]。若能實時進行心率和呼吸率檢測，在發生訓練事故之前及時終止訓練，將大大降低軍事訓練事故的發生率。當前，西方各發達國家都在積極開展士兵生命體征監測裝置的研究工作，如美國的“地面勇士”、英國的“未來戰斗士兵系統”、俄羅斯的“巴爾米察”等[2～4]。我國如鄧親凱等人研制的單兵狀態監測器，用于戰場傷員搜救等[5]。

但由于上述國內外研究都是用于戰場上士兵的生命體征信號監測，且裝置比較復雜。在士兵日常訓練時難以完全適用。我軍長期缺乏一種可以預防訓練事故發生的預警裝置，在此背景下，本文在前期研究的基礎上嘗試設計了集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的具有實際應用價值的士兵訓練時心率呼吸率實時監測預警裝置。實現了基于光電容積脈搏波的心率、呼吸頻率的無創快速準確檢測。提出的融合算法提高了測量結果的可靠性。

本裝置適用于士兵訓練時的心臟功能和肺功能的監測，能很好地實現預警功能，避免訓練事故的發生，具有較好的實用價值，有望在未來的士兵訓練場上發揮重要作用。

1 系統硬件結構

如圖1所示。

圖1 士兵心率呼吸率檢測預警裝置示意圖

1.1 微處理器

本裝置采用了STM8S003F3單片機作為微處理器，其具有低功耗、低成本、可靠性較高等多方面的優勢[6]。

1.2 脈搏波傳感器

目前脈搏波傳感器主要是基于光電容積描記技術(PPG)設計而成，其主要有兩種設計方式，透射式，即發光二極管與探測器位于手指兩側；反射式，即發光二極管與探測器位于指端同一側。傳統脈搏波傳感器多采用透射式測量方法。本文采用了反射式測量方法對脈搏波傳感器進行了選型。其電路示意圖如圖2所示。傳感器的4，5腳為電源腳。2腳為2個LED的公共負極，通過調節1和3管腳上的電阻值可以調節傳感器的發光功率。管腳6為原始的脈搏波信號輸出端。

圖2 心率傳感器電路示意圖

相比傳統的傳感器設計方法，本文采用的脈搏波傳感器主要有以下兩方面優勢：1)體積小，便攜，提高了士兵佩戴本設計的舒適度。傳統的脈搏波獲取方法中，發光二極管和光電探測器是兩個分立的元器件，體積龐大。本設計中發光二極管和光電探測器被集成在一個只有4.1 mm×2 mm×1.05 mm的體積內，解決了傳統的脈搏波獲取裝置體積龐大，不適用于士兵訓練時佩戴的問題。2)反射式測量方式使得測量位置靈活。目前獲得脈搏波的途徑主要是透射式的脈搏波測量方式，測量時需要將裝置夾在手指或者耳朵上，透射式的測量方式很大程度上限制了脈搏波的測量位置。本設計中心率傳感器采用反射式的測量方式，測量位置只要有血液活動就可以獲得脈搏波，擴展了脈搏波獲取位置，解決了透射式的脈搏波傳感器測量位置的局限性。3)570 nm更敏感波段選取。目前的脈搏波傳感器采用的是紅光或者紅外光，本設計中采用的是波長570 nm的綠光。4)抗環境噪聲。傳統的脈搏波傳感器對環境中的光線強度比較敏感，環境光對測量的精度影響巨大。為了適應不同情況下的光照，本設計中傳感器內部集成了一個nm級的環境光過濾器，可以幫助濾掉不想要的環境光，提高了信號的信噪比。5)功耗低,本設計中的傳感器的功耗非常低,極大地提高了續航能力。

1.3 信號預處理電路

圖3 信號預處理電路示意圖

如圖3所示，脈搏波傳感器的輸出信號是一個μA級的電流信號，為了便于后續處理，首先通過一個電阻將電流信號轉換為電壓信號。考慮到脈搏波信號的低頻特性，電壓信號經過一個RC低通濾波器濾出一些高頻的噪聲。然后再通過放大電路得到脈搏波信號。得到的脈搏波信號如圖4所示。為了便于計算心率和提高心率檢測的準確性;設計中還將脈搏波信號整形為方波信號，通過方波信號和脈搏波信號計算心率值，提高了心率的準確性。脈搏波波形整形輸出的方波信號,如圖5所示。

圖4 濾波放大輸出的脈搏波信號

圖5 脈搏波信號整形輸出的方波信號

1.4 報警模塊

當微處理器監測到士兵的身體出現異常時會觸發報警模塊，提示士兵停止訓練。

報警模塊主要是通過一個KC—1206無源蜂鳴器及其驅動來實現報警功能的。可以通過調整輸入脈沖的頻率和限流電阻的阻值來控制蜂鳴器放出聲音的響亮程度。

1.5 電源模塊

設計中采用3.7 V鋰電池供電，由于系統中其他模塊選用的是3.3 V供電，所以供電模塊由充電模塊和穩壓模塊兩部分組成。充電模塊選擇的是TP4056充電管理芯片，穩壓模塊選擇的是SGM2019—3.3V穩壓芯片。具體的電源模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路原理圖

圖7 士兵心率呼吸率檢測預警裝置工作的流程圖

2 系統軟件設計

2.1 系統工作流程

士兵心率呼吸率檢測預警裝置工作的流程圖如圖7所示,主要包括：1)初始化ADC、UART、時鐘、I/O口、相應的變量等。2)脈搏波信號的獲取、預處理、心率呼吸率的獲取。3)心率呼吸率出現異常時觸發報警模塊。

2.2 數字濾波

為了提高脈搏波信號的信噪比，使得測量結果能更加準確地反映士兵的身體狀況，本文算法采用了數字濾波。數字濾波采用的是平均濾波的方法，將采集到的信號值與之前存儲的兩個信號值進行平均值計算，計算結果作為新的采樣值存儲到數據緩沖空間內[7]。通過平均值濾波可以去掉一些隨機干擾噪聲，得到的脈搏波波形更加平滑，減小了測量誤差。

2.3 心率測量

心臟跳動一次脈搏波信號出現一個主峰，通過對主峰進行計數即可得到心率值。設計中對脈搏波信號進行特征提取，提取出t秒內主峰出現的個數N，心率heartrate1計算如下

heartrate1=N×60/t

(1)

除此之外，設計中還以采樣率n提取脈搏波信號，通過提取t秒內主峰的次數N以及第一個主峰n1和最后一個主峰的位置n2，然后通過式(2)得到心率heartrate2。

heartrate2=n×60×(N-1)/(n2-n1)

(2)

設計中將上述兩種心率測量方法相結合，將heartrate1和heartrate2進行平均值計算作為最終的心率HR。

2.4 呼吸率測量

由于呼吸會引起血管的變化，血管變化就會引起通過血管檢測到的脈搏波信號發生變化。這種變化通常是頻率調制和幅度調制。基于該原理，本文提出了一種基于脈搏波峰值包絡線和竇性心律不齊的呼吸率檢測算法。

呼吸信號會對脈搏波信號進行幅度調制，在脈搏波波形上通過脈搏波峰值的包絡線表現出來。通過峰值檢測，得到脈搏波信號峰值的包絡線，再對脈搏波峰值包絡線信號進行峰值檢測和周期檢測即可以得到呼吸率值RR1。

呼吸信號對脈搏波信號進行頻率調制表現在竇性心律不齊上。竇性心律不齊指的是呼吸時心率的變化。吸氣時，心率升高；呼氣時，心率降低。而實時心率的變化在脈搏波信號上表現為兩個相鄰脈搏波波峰之間間距的周期性變化。通過峰值檢測得到波峰位置，再通過相鄰波峰間距的變化規律即可以得到呼吸率RR2。

通過幅度調制和頻率調制，可以得到兩個呼吸率值RR1、RR2，設計中對兩個呼吸率RR1、RR2進行平均值計算作為最終的呼吸率值RR。

3 實驗結果與分析

對10名受測人員使用本設計進行心率呼吸率測試，同時采用醫用指夾式血氧計(可同時測量心率及血氧飽和度)對受測人員進行心率測試，并采用人工方法對受測人員進行呼吸次數測試，測試結果如表1所示。實驗結果表明：本設計與醫用心率血氧計存在±3的誤差，考慮到實際應用時，±3的誤差對本文的應用帶來的影響是十分微弱的，完全可以滿足實際應用的。

4 結 論

實驗結果分析表明：本文闡述的士兵心率呼吸率檢測及預警系統能正常監測士兵的心率和呼吸率，在身體出現異常時，能夠及時報警，具有集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的特點。此外，本文方法實現了基于光電容積脈搏波的呼吸頻率的無創快速準確檢測；提出的融合算法提高了測量結果的可靠性。

本設計能進行長時間的心率呼吸率低負荷連續監測，適用于士兵訓練時的心臟功能和肺功能的監測，能很好地實現預警功能，避免訓練事故發生，具有較好的實用價值，有望在未來的士兵訓練場上發揮重要作用。

本設計只檢測了心率和呼吸率，還可以加入更多參數，如溫度、心率變異性、血氧飽和度等多參數來更精確地評估士兵的身體狀況。

[1] 陳長禮.論“心率監測法”在警察體能鍛煉中的作用[J].軍事體育進修學院學報,2006,25(2):117-119.

表1 心率和呼吸率測試結果對比

[2] 王雅靜.單兵系統生命參數檢測技術的研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[3] 閆慶廣,吳寶明,卓 豫，等.穿戴式單兵生命監測系統研究的進展[J].中國醫療器械雜志,2006,30(5):345-348.

[4] 陳 劍.單兵系統中生命參數監測技術的初步研究 [D].西安：第四軍醫大學,2005.

[5] 郭勁松,鄧親愷.單兵生命狀態遠程監視及定位系統的研究[J].第一軍醫大學學報,2002,22(4):320-322.

[6] 俞文彬,謝志軍.基于穿戴式心電信號監測系統設計[J].傳感器與微系統,2015,34(9):65-68.

[7] 楊 軍,吳 松,李圓怡,等.SPR生物傳感檢測系統軟件的設計與實現[J].傳感器與微系統,2010，29(6):95-97.

Design of HR and RR monitoring and early warning device for soldiers based on STM8*

SHI Cong， LIU Xiao-hua， KONG Ling-qin， DONG Li-quan， LIU Ming， ZHAO Yue-jin

(Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology,School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Design and implementation method of a device for soldiers heart rate(HR)and respiratory rate(RR)monitoring based on STM8 are discussed.The device consists of pulse wave sensor,signal preprocessing circuit, microprocessor,power supply module, alarm module.After a lot of experimental verification，this design can carry out long time continuous monitoring HR and RR.The device can realize the early warning function very well,it has good practical value,and is expected to play an important role on future soldier training field.

soldiers training； photoplethysmography； heart rate(HR)； respiratory rate(RR)

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0090—04

2016—04—26

國家自然科學基金資助項目(61377109，61301190)

R 318

A

1000—9787(2017)04—0090—04

石 聰(1990-)，男 ，碩士研究生，主要研究方向為生命體征信號檢測。