便攜式低功耗可穿戴心率血氧監測系統的設計

吳全玉 賈恩祥 戴飛杰 張文悉 王燁 劉曉杰

摘? ? 要：心率、血氧和體溫都是人體重要的生理信息，設計出體積小和便攜式的系統測量裝置，將會有較大的社會和臨床經濟效益。嘗試以STM32F103C8T6為控制器，設計一種便攜監測設備。通過MAX30102、GY-MCU90615模塊采集心率血氧及體溫數據，經藍牙模塊將數據發送到Android智能機解析顯示，實現了基于Android系統的心率、血氧、體溫監測系統。經測試驗證，該采集系統工作穩定可靠。

關鍵詞：心率血氧檢測; 體溫檢測; STM32F103C8T6; Android;藍牙通訊

中圖分類號：R318.04;TN929.53? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）04-0053-09

心率和血氧飽和度是人體重要的生理指標[1]，反映了人體的健康狀況。隨著信息技術的發展，智能健康佩戴設備普及度大幅提升[2-5]。薛俊偉等人設計了一種基于藍牙低功耗技術的可穿戴血氧飽和度監測設備，能夠連續檢測人體血氧飽和度和脈率[6]，具有低功耗和可穿戴等特點，但是當模擬儀輸出血氧飽和度低于75%時，設備的檢測精度受到影響。張政豐等人針對現有可穿戴設備的心率檢測方法進行了研究，發現不同活動狀態下人體的心率變化很大，但是沒有給出相應的App程序進行實時的檢測[7]。徐盼盼等人介紹了一種基于TI公司 AFE4400集成芯片的血氧模擬采集電路，他們的研究主要是簡化了電路設計、降低了系統功耗和減小了電路尺寸，提高硬件的便攜性，但在整個系統網絡操作開發方面略顯不足[8]。隨著網絡云平臺技術的發展，一些具有檢測人體生理參數功能的產品也在向可穿戴和網絡實時監測等方向發展。如小米公司的可穿戴產品“小米手環”，可以提供高精準的心率、睡眠質量監測;國內一些廠家生產的低成本指夾儀，可以進行血氧飽和度和心率的檢測，并通過OLED屏顯示數據。

筆者設計的基于Android系統的心率、血氧、體溫監測系統具有便攜、低功耗、無線傳輸等特點。該系統由硬件端和軟件端兩部分組成。硬件端由傳感器模塊，藍牙通信模塊，STM32核心電路以及電源穩壓電路組成。傳感器模塊由MAX30102心率血氧模塊和GY-MCU90615紅外測溫模塊組成，它將采集完成的數據，通過藍牙模塊發送至安卓端，解析數據并顯示在界面上。具體系統設計如圖1所示。

設備成品可以幫助用戶隨時隨地較為準確地測量其身體的血氧飽和度、心率等生理指標，從而更好地掌握自己的身體狀況。從醫學上分析，血氧飽和度和心率兩項生理指標作為醫院診治的重要數據，血氧飽和度在95及以上為正常指標，心率在每分鐘60～100之間為正常指標。當用戶在不同時間段多次測量結果均不符合上述兩項指標時，表明身體有異樣，建議就醫詳查。

1? ? 檢測原理

1.1? 心率血氧檢測原理

光電容積法作為監護測量中最常見的手段，具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點，其基本原理是利用人體組織在血管搏動時產生的透光率差異來進行心率和血氧飽和度的測量，所使用的傳感器由光源和光電變換器[9-11]兩部分組成，通過綁帶或夾子固定在病人的手指、手腕或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧合血紅蛋白（HbO2）和血紅蛋白（Hb）有選擇性的特定波長的發光二極管（一般選用660 nm附近的紅光和940 nm附近的紅外光）[12]。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動造成血容積變化致使透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此，光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。同時，根據血氧飽和度（SaO2）的定義，其表達為：

1.2? ?體溫檢測原理

紅外測溫廣泛應用于非接觸式溫度測量設備[13]，其原理是將物體發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體自身的溫度相對應，根據所轉變的電信號值來確定被測體溫度。

2? ?硬件系統設計

2.1? 信號采集模塊

如圖3（a），Maxim公司生產的MAX30102是一種高靈敏度血氧和心率生物傳感器[14]。其集成了LED及驅動，光感應及AD轉換，環境光干擾消除及數字濾波部分，只留有數字接口，極大地減輕了開發者的設計負擔。

如圖3（b），GY-MCU90615是一種低成本紅外溫度模塊，具有低功耗、體積小等優點。其工作原理是通過單片機讀取紅外溫度數據，串口通信方式輸出。采集模塊的電路連接如圖4所示。

2.2? 藍牙模塊

HC-05是一款高性能主從一體的藍牙模塊，可直接作串口使用。實物與電路連接見圖5。

2.3? 電源電路

在后續電路設計中，考慮到供電電池的電壓在3.7 V附近，選用TPS7333芯片穩壓，該芯片壓差在0.3～0.4 V內，較為穩定。電源電路見圖6 。

2.4? 主控芯片電路

STM32核心電路主要包括4個部分：（1） 復位電路;（2） 晶振電路;（3） 串口下載;（4） I/O口。

STM32外接了兩個晶振為其內部系統提供時鐘源。一個8 M的高速外部時鐘（HSE），為系統提供較精確的主頻;另一個是32.768 M的低速外部時鐘（LSE），用于提供精準的時鐘功能。系統核心板具體原理圖如圖7所示。

3? ?軟件開發及算法

3.1? ?通信協議

通信協議是影響系統穩定性的主要因素[15]。筆者設計的下位機端需要使用兩個串口，即 USART1和USART2，一個中斷端口，兩個I2C模擬端口。其中，USART1串口連接紅外測溫模塊，USART2串口連接藍牙模塊。

MAX30102模塊采用I2C通信協議，為保證穩定性，采用軟件模擬I2C的方式;由圖5，USART2功能引腳PA2（TXD）、PA3（RXD）作為下位機與上位機的通信接口，波特率9 600 bps。GY-MCU90615模塊通過USRAT1串口與STM32通信，固定封包數9幀，協議如下。

（1）幀頭：Byte0與Byte1固定幀頭0x5A。

（2）數據位：Byte2表示本幀數據類型，Byte3表示數據量（4個字節數據 2 組為一個參數），Byte4 表示目標數據的高8位，Byte5表示目標數據的低8位，Byte6表示環境溫度的數據高8位，Byte7表示環境溫度的數據低 8位。

（3）幀尾：Byte8范圍在0x00～0xFF是校驗和（前面數據累加和，僅保留低8位）。

通過幀頭、幀尾及幀長來判斷數據的正確性，從正確的幀組數據位中提取所需的數據并解析，即可完成數據轉化。

3.2? 下位機固件開發

主函數將心率血氧采集和紅外測溫程序進行了整合。主要邏輯：首先讀出串口數值，判斷串口所發送的數據能正確解析時，再發送一條查詢指令;之后，檢查心率血氧檢測的中斷觸發情況，若已觸發中斷，說明心率血氧模塊可以正常工作，然后進行紅光和紅外光的讀取，每次讀取100組并將其存入數組，讀取完畢后，進行AD轉換。由于初始階段讀取得值之和不足500組，所以在5 s左右的時間內無法顯示數據，之后正常工作并對采集的500組數據進行均值濾波。判斷采集的心率和血氧值是否正常，確認采集值有效，再進行組幀發送。發送完成之后，進行數組的數據順移，在此過程中，前面的數據會被丟棄，永遠只保存數組內500個數據。

紅外測溫模塊是通過串口通信的方式工作，其原理是模塊向設備發送指令0xa5+0x15+0xBA，設備再返回一段數據，取其中有效數據即可。在此程序中，使用了命令查詢的方法，即每次都需要發送指令，傳感器才能返回值。

3.3? 算法簡述

心率血氧檢測的算法移植自Maxim公司官方庫。程序中需要用到的主要函數有：

將讀取到的紅光和紅外光的參數放入數組內，并將紅光和紅外光的數組名填進對應的數組參數名中。參數*pn_heart_rate和*pn_spo2是輸出結果的變量。*pn_heart_rate輸出心率，*pn_spo2輸出血氧濃度。*pch_spo2_valid和*pch_hr_valid為判斷采集到的心率和血氧的有效性，如果為1，即表示采集到的對應的參數有效;如果為0，即表示采集到的數值誤差過大，并判定為無效值。無效值用-999表示，只輸出有效值。

3.4? 上位機軟件開發

上位機APP采用Android Studio編寫，主要分為藍牙連接、數據處理、UI刷新、曲線圖繪制4個部分。具體軟件主流程如圖8所示。

藍牙連接的前提是手機已經與藍牙模塊配對成功。數據處理主要是對幀數據進行解析。UI刷新采用handler機制，handler根據sendHandlerMessage發送的msg參數來確定刷新UI的哪個部分。在獲取解析的數據后，調用github組件進行曲線圖繪制。

如圖9所示，APP具有主界面（a）以及全部監測（b）和單一監測（c）兩類分頁面，用于顯示信號當前值及其變化曲線。

4? ?測試結果

如圖10所示，測試條件為室內、氣溫26 ℃、測試者身體狀態正常（未劇烈運動），選擇在室內采集人體靜態數據[16]的主要原因是噪音、光線等干擾因素較少，更利于提取有效數據。

接通設備電池電源，藍牙模塊LED常閃，開啟安卓APP進行測試，當藍牙模塊LED閃頻降低，表明上位機與下位機通訊成功。Android端將下位機采集到的心率、溫度以及血氧濃度值實時顯示，并以折線圖的形式表現出來。由于藍牙在接收開始數據的約前5 s內，系統所接收的數據不足500組，無法顯示，等待接收500組數據后，UI界面將會刷新顯示。

5? ?結語

簡要介紹了基于Android系統的心率、血氧、體溫監測系統設計，旨在提供一種面向家用等環境下的智能監測設備。經測試，該系統能夠較為準確地檢測各項信號并在Android端實時顯示數據和變化曲線，具有低成本、易于攜帶[17]、操作簡單、無線傳輸等特點。

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責任編輯? ? 張志釗