基于Cortex-M3處理器和SIM900A的可穿戴健康參數監測系統設計

梁美麗,尹禮壽,陳立杰

基于Cortex-M3處理器和SIM900A的可穿戴健康參數監測系統設計

梁美麗1,尹禮壽2,陳立杰3

1. 山西輕工職業技術學院機電工程系, 山西 太原 030013 2. 太原工業學院理學系, 山西 太原 030013 3. 浙江農林大學國際教育學院, 浙江 杭州 310000

中國人口老齡化日趨明顯，獨居老人發生危險得不到及時救治，關愛老人成為迫切需要解決的問題。系統以Cortex M3核心板和高性能GSM/GPRS模塊SIM900A作為設計核心，設計了一款可以自發短信的老人健康參數檢測系統。核心板采用STM32F103C8T6作為控制器，在無創脈搏波測量法的基礎上建立心率、血壓、血氧飽和度相應的測量模型，并基于參數測量值進行數據挖掘分析，當監測數據值超出或低于正常范圍時發出報警短信給監護人。此電路設計的創新點在于體積小，功耗低，成本低廉。

核心處理器; 光電容積脈搏波; GSM/GPRS

1 研究背景及意義

2016年5月16日，揚州市區錦旺社區的一名年逾古稀的老大爺獨自在家洗澡，因不慎跌倒而猝死，兩天后才被發現；2017年一位獨居的81歲老太在死后2個月才被發現；2018年8月3日，南京雨花臺一位獨居老人洗澡時不慎摔倒，家人也沒有及時發現。中國正處在社會轉型的關鍵時期，許多制度還有待完善和建全。隨著老齡化人口的增加，醫療、養老等社會服務方面的壓力日漸明顯，為了不給兒女留下無法彌補的遺憾,更多的關愛獨居老人,本文設計了“一種基于Cortex-M3處理器和SIM900A的老人健康參數監測系統”。該系統能夠通過監測老人的生命體征數據,在危急時刻將危險數據以電話或者短信形式第一時間通知監護人，為發生意外的老人贏得最佳治療時機。鑒于老人的年齡特點，此設計具有操作簡單，攜帶方便，電路功耗低，成本低廉，定位準確的特點。

2 主要研究內容

古人有"二十八脈"之稱，脈象是心理活動、病理轉化的客觀指征[1]。一般情況下脈搏和心臟的收縮舒張是一致的，故一些疾病的前期癥狀很多都能從脈搏上反應出來。對中醫來說測量脈搏是一個不可缺少的檢查項目。傳統的脈搏測量法主要通過人工測量，手工記錄的方式。這樣一是加大了醫生的工作量二是脈搏細弱觸不清時容易出錯，精度也不高。1860年Vierordt創建了第一臺杠桿式脈搏描記儀，1950年左右朱彥把脈搏的測量技術應用到醫學診斷中，隨著醫學的智能化發展，脈搏采集也越來越多樣化。本文利用基于光電容積脈搏波原理的脈搏傳感器進行脈搏采集，對采集的數據用單片機進行處理，通過建立相應的數學模型測得心率、血壓、血氧等生理參數。鑒于人體手腕部最適于穿戴，而且易于連續長時間實時監測，故本文主要采集橈動脈處的脈搏。

光電容積脈搏波是基于郎伯比爾定律與人體動脈血之間的關系得到的變化波形。光電容積脈搏波描記法(PPG)是借光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的一種無創檢測方法[2]。此方法中的光源一般采用對動脈血中兩種血紅蛋白有選擇性的光源，即660 nm附近的紅光和900 nm附近的紅外光。當這兩種光束照射到皮膚表面時，皮膚內的血液容積在心臟作用下成搏動性的變化，心臟收縮時光吸收量大檢測到的光強度小，心臟舒張時光吸收量小檢測到的光強度大。光電變換器將接受到的光線轉變為電信號，并將這個電信號放大和輸出。由于心臟的搏動是周期性變化的，因此光電變換器的電信號也是周期變化的。光電容積脈搏波描記法不需要復雜和昂貴的設備，而且操作簡單。此方法對人體沒有傷害，可無限重復使用而且誤差較小。

3 電路硬件設計

本電路設計分3部分構成。分別是：信號采集，信號處理，無線通信。本系統的硬件電路圖如圖1所示。電路設計中主控芯片采用STM32F103系列的STM32F103C8T6單片機，還用到了脈搏波傳感器模塊、OLED顯示模塊、SIM900A通信模塊和電源電路。

數據采集部分主要利用脈搏傳感器獲取人體橈動脈的脈搏信號,鑒于人體的脈搏信號很微弱，單片機對微弱信號很難直接處理。此電路設計需要先把微弱信號進行放大，濾波，再通過比較器把波形轉換成矩形波，通過濾波把噪音濾掉。把得到的矩形波輸入到STM32單片機中，STM32對采集到的數據通過建立各種相應模型的計算來估計血氧、心率和血壓等三個參數值，然后判斷處理計算結果[7]。超限信息判斷結束以后,如果超限的條件成立,通過SIM900A將超限數值傳送給老人的監護人來達到及時監測的目的。

圖 1 系統硬件電路結構圖

3.1 數據采集系統

進行數據采集前大家需要明確一個概念，測量人體返回的PPG信號并不是一件容易的事情。因為信號非常微弱，很容易被其他干擾噪聲所淹沒。所以不同的人或者同一個人處于不同的環境下，身體不同的部位都會得到不同的PPG信號。脈搏波信息采集質量的好壞將會影響后面對數據的處理和分析,所以對脈搏傳感器的選擇尤為重要。本檢測電路的設計思想是采用模塊化設計，在選用脈搏傳感器時以功耗低，成本低，穩定性好，使用壽命長作為主要考慮因素。脈搏波傳感器模塊的主要功能是驅動LED光組交替照射在人體腕部，對人體腕部返回的反射光數據做預處理。本文選用了Maxim公司的MAX30102，它是一種高靈敏度血氧和心率的生物傳感器模塊。

MAX30102的發光部分包括兩個LED，一個是紅光LED（660 nm），另一個是紅外光LED（880 nm），這個是測量血氧飽和度SPO2最常見的配置。接收部分是一個對可見光和紅外光都敏感的光電二極管，MAX30102將接收的光強度信號轉換為電流信號，經過環境光消除電路后，最后被自帶的18位ADC進行采樣轉化，至此模擬部分完成。AD轉化后的數字經過數字濾波后儲存在數據寄存器中，最后可通過I2C總線被外接MCU讀取。在硬件上，LED的電源和其他部分的電源不是同一個，因為LED為了保證足夠的入射光強，需要瞬間大電流（最大50 mA），這就要求LED的正向電壓足夠大（要求3.1 V以上）。而其余的AD轉換和I2C總線部分，為了實現低功耗要求電壓足夠小（要求1.8 V），所以傳感器需要兩路獨立的電源。此外，由于LED電源會產生瞬間大電流，所以電源引腳附近要加一個大電容減輕對電源電壓的影響。

3.2 STM32核心控制系統

STM32核心控制系統采用了功耗低，成本低的STM32F103C8T6集成電路。集成電路中采用了意法半導體公司生產的增強型STM32F103單片機。STM32F103單片機型號為STM32F103C8T6。STM32F103C8T6芯體為32位，程序存儲器型容量是64 KB，需要電壓2 V~3.6 V，工作溫度為-40 °C ~ 85 °C[4]。STM32F103C8T6最小系統包括MCU，電源穩壓電路，電源濾波電路，BOOT選擇電路，指示燈電路，JLINK接口電路，晶振電路，復位電路，擴展口電路和USB接口電路[8]。此電路的特點是高性能、低成本、低功耗，其外形尺寸只有傳統的DIP40封裝（例如AT89S52）的大小。STM32F103C8T6微控制器以I2C總線方式訪問其內部FIFO來獲取采集到的脈搏波數據，在STM32F103單片機中處理脈搏波波形數據并且提取、計算來獲得心率、血壓、血氧參數,這些健康參數結果通過OLED實時顯示的同時做出超限判斷。如果超限條件成立將通過SIM900A模塊進行通信。STM32F103C8T6電路圖如圖2。

圖 2 STM32F103C8T6電路圖

3.3 OLED顯示

OLED，有機發光二極管又稱為有機電激光顯示。OLED顯示屏是利用有機電自發光二極管制成的顯示屏[5]。OLED是主動發光的顯示器，與其他顯示器相比具有高對比度，寬視角，快速響應，高發光率，低操作電壓，超清薄等優點。OLED可耐受的溫度區間達到-40 °C ~ 85 °C溫度范圍。并且OLED不含鉛，不會造成環境污染，被認為下一代平面顯示器新型應用技術。最先接觸的12864屏都是LCD的，需要背光，功耗較高，而OLED的功耗較低，更加適合小系統。本系統中采用了0.96OLED顯示模塊，該模塊的特點是：1、三色可選，模塊有兩種顏色可選，單色為純白色和純藍色，雙色為黃藍雙色；2、超小尺寸，顯示尺寸為0.96寸，模塊尺寸為27 mm*26 mm*4 mm；3、接口模式，采用串行SPI接口模式；4、高分辨率，分辨率為128*64；5、帶字庫，可顯示標準的國體簡體漢字，8*16點ASCII粗體字庫，7*8點ASCII字庫，5*7點ASCII字庫[6]。

圖 3 電源電路圖

3.4 電源模塊

電源是系統硬件電路的主要組成部分。電源模塊給整個系統供電，為微控制器STM32、SIM900A模塊提供穩定的電壓.主控電路STM32F103C8T6的工作電壓是3.3 V。SIM900A使用單電源供電，VBAT電壓范圍是3.2 V~4.8 V。為使模塊的各個部分正常工作必須對兩者分別供電。電源電路(圖3)。

3.5 SIM900A通信模塊

SIM900A模塊是一款采用SMT封裝，ARM926EJ-S架構的緊湊模塊。它提供了多種所需的應用接口，其中包括主串口，調試串口，音頻接口，SPI接口等，可以滿足各種場景的應用。SIM900A模塊主要由基于GSM網絡的SIM900A芯片控制，此芯片是一個EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz的雙頻模塊。它可以低功耗實現語音、SMS、數據的傳輸[3]。SIM900A所有的指令都必須是以ASCII編碼字符格式，在睡眠模式下最低耗流只有1.0 mA。要實現STM32單片機與SIM900A模塊之間的數據通信，除了硬件連接之外還要在軟件設計時搭建開發平臺，在Keil工程中添加需要用到的庫函數和配置文件。配置文件包括依次對系統時鐘、中斷函數、輸入輸出的GPIO口配置，以保證模塊能夠正常運行。電路圖中STM32處理器的PA14腳接SIM900A的PWRKEY腳，完成SIM900A的上電、下電及重啟控制。單片機的串口1可通過J5跳線完成與SIM900A的串行通信控制。

4 電路軟件設計

軟件編寫主要由C語言完成。電路軟件包括主控芯片初始化和SIM900A模塊初始化兩大部分。主控芯片初始化包括系統初始化和健康參數提取算法兩大部分。系統初始化流程圖見圖4。系統初始化是指各個模塊的初始化。健康參數提取算法包括血壓、心率、血氧的計算，各流程圖分別為圖5、圖6、圖7。電路通過橈動脈處MAX30102評估版進行5 s時間（2000點）的脈搏波采集，先對原始信號預處理，再獲取脈搏波的特征值來計算心率、血氧和血壓。

圖 4 健康監測系統總流程圖

圖 5 血壓獲取

圖 6 血氧獲取

圖 7 心率獲取

5 系統調試

整個系統測試包括硬件調試和系統性調試兩大部分。硬件調試為各個功能模塊的功能測試，具體由MAX30102評估板的脈搏波采集測試，STM32F103單片機最小系統測試和OLED顯示模塊測試等。在調試之前先拿萬用表對電路的焊接做個簡單的檢測，如果電路焊接沒問題，就把各模塊之間通過杜邦線連接起來為后面的系統調試做好準備。第二個部分為系統性能測試，設計者通過串口調試助手對電路串口和主控芯片進行信息交互，設置好輸出波特率和數據幀的格式，在每部分調試通過后將程序代碼下載進單片機中，看是否與自己設置的功能相符。調試完成后將此設備測得的數據和現有儀器測得的心率、血氧和血壓的健康參數值進行對比，計算誤差并分析。

6 總結

此監測系統是針對老人設計的，在傳統監測健康參數的基礎上增加了通信功能。此電路的優點在于功耗低，體積小，能實時監測并傳送出去。本系統將信號采集，信號處理以手腕佩戴的方式集成在一起區別于傳統的可穿戴設備體積大，功耗大的特點。鑒于體積方面的約束，本監測系統監測的精度沒有達到很精確，監測到的生命體征參數也有限，這些方面是以后需要改進的地方。

[1] 朱雯,阮曉聲,梁中慶,等.脈動波在彈性管道中的傳播速度與諸因素的關系[J].浙江大學學報,1996,25(4):154-156,177

[2] 黃偉榮.可穿戴式健康參數監測方法與系統設計[D]..西安:西安理工大學,2018

[3] 劉永濤,劉佳,李玉華,等.基于SIM900A的語音燃氣報警裝置設計與實現[J].現代電子技術,2017,40(3):96-99

[4] 花磊.無線網絡技術在醫院中的應用[J].中外醫學研究,2012,10(28):141

[5] 胡大一.心血管內科學[M].北京:人民衛生出版社,2008

[6] 吳學思.心率在心血管疾病中的意義[J].中華內科雜志,2006,45(7):601-602

[7] 廖永國.無創腦血氧飽和度檢測方法的研究[D].天津:南開大學,2006

[8] 彭順生.基于的大氣粉塵遠程監控系統[D].湖南:湖南大學,2015

Design of Wearable Health Monitoring System Based on Cortex-M3 and SIM900A

LIANG Mei-li1, YIN Li-shou2, CHEN Li-jie3

1.030013,2.030024,3.310000,

The aging of the Chinese population is becoming increasingly obvious. The danger of elderly people living alone can not be treated in a timely manner. Caring for the elderly has become an urgent problem that we need to solve.The system uses the Cortex M3 core board and the high-performance industrial-grade GSM/GPRS module SIM900A as the design core, and designs an elderly health parameter detection system that can spontaneously send text messages to alert.The processor of the core plate uses STM32F103RC8T6 as a controller to establish a corresponding measurement model of heart rate, blood pressure, and blood oxygen saturation based on the non-invasive pulse wave measurement method, and conducts data mining analysis based on parameter measurement values. Send alert messages to relevant personnel when monitoring data values are above or below the normal range.The innovation of this circuit design lies in its small size, low power consumption and low cost.

Multiple health parameter detection; PPG; GSM/GPRS

TP391.4

A

1000-2324(2019)03-0445-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.019

2018-02-20

2018-04-28

山西省高等學校科技創新項目(20131114)

梁美麗(1982-),女,碩士,講師,研究方向:電子技術，信息通信. E-mail:li13994299381@126.com