基于實時信息采集的心電監護系統

摘? 要：隨著移動醫療的飛速發展，心電監護已成為個人日常心臟監控的一個重要發展方向。文章針對穩定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運動信息等問題，設計了一種基于ESP32的無線運動傳感器節點裝置。該設計利用前端模擬芯片ADS1292實時采集使用者心電信號，溫度傳感器LMT70測量使用者體表溫度，STP100M計步模塊檢測使用者運動信息。經測試，該裝置能夠實現對人體信息實時監測功能，測量誤差及傳輸延時均達到設計要求，證明可滿足個人日常心電監測。

關鍵詞：心電監護;ESP32;LMT70;Wi-Fi

中圖分類號：TH77? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0175-03

Abstract： With the rapid development of mobile medicine， ECG monitoring has become an important development direction of personal daily heart monitoring. Aiming at the problems of stably collecting and recording human ECG information， body surface temperature and motion information， a wireless motion sensor node device based on ESP32 is designed in this paper. In this design， the front-end analog chip ADS1292? is used to collect the user's ECG signal in real time， the temperature sensor LMT70 is used to measure the user's body surface temperature， and the， STP100M step counting module is used to detect the user's motion information. After testing， the device can realize the real-time monitoring function of human body information， both the measurement error and transmission delay meet the design requirements， which proves that it can meet the daily ECG monitoring of individuals.

Keywords： ECG monitoring; ESP32; LMT70; Wi-Fi

0? 引? 言

隨著全球人口數量的增長，老齡化趨勢愈加嚴重，心腦血管疾病已經成為一種不可忽視的嚴重疾病[1，2]。為了避免身體出現不可逆的惡性循環，人們越來越意識到健身和有氧運動對于生活的重要性。隨著健康人群的不斷增加，同時也會帶來運動導致的意外事件越來越多，因此人們需要人體監測設備實時對個體的心電信息、體表信息以及運動信息進行監測[3，4]。

1? 系統總體設計

該系統預期實現的目標為：在不同的測試環境下，能穩定采集和記錄設備使用者的心電信息、體表溫度、運動信息，并實時發送到移動終端手機上，同時能夠實時顯示使用者體溫、運動步數、運動距離、心電波形[5-7]。當采集到使用者心電信號出現心律不齊時，發出蜂鳴器報警。

1.1? 主控器件選擇

選取ESP32作為主控制芯片模塊，該芯片支持Wi-Fi和藍牙雙模通信，外圍兼容低功耗硬件設計，深度睡眠模式下功耗僅為10 μA。主控器支持USB和外接3.7 V鋰電池兩種供電方式，可實現雙電源下自動切換電源功能，并支持USB和外接DC兩種充電方式。同時該芯片具有體積小，可靠性、功能性較強，可以滿足本系統處理大量數據的要求。

1.2? 傳感器選取

STP100M計步模塊具有高性能的計步器主控MCU和一個高靈敏度的G Sensor，結合高精度的3D計步算法，使其在任何方向都可以精確計步。相較于其他運動傳感器具有小體積、低功耗，高精度等特點，可以滿足本系統運動信息的測量要求。

1.3? 無線傳輸方式選取

Wi-Fi模塊采用標準802.11協議，工作頻段為2.4 GHz，所支持的速度最高達54 Mbps，通過互聯網連接上安裝訪問點來創建，傳輸距離大概為91.5米。支持Wi-Fi連接的設備可在熱點覆蓋的區域隨時聯網，可實現多人同時連線，可以滿足本系統傳輸數據的要求。

1.4? 系統結構工作原理

本系統主要包括ADS1292心電測試模塊、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M計步模塊、ESP32控制器、移動終端、電源、蜂鳴器等模塊組成。系統總體框圖如圖1所示。

ADS1292心電測試模塊實時采集使用者的心電信號，LMT70溫度傳感器測量使用者體表溫度，STP100M計步模塊檢測使用者運動信息。ESP32控制器處理采集到的信號，并通過Wi-Fi上傳數據到移動終端上顯示。

1.5? 信號采集系統設計

使用者攜帶無線傳感器節點，ADS1292心電測試模塊實時采集使用者的心電信號，LMT70溫度傳感器測量使用者體表溫度，STP100M計步模塊檢測使用者運動步數和運動距離。ESP32控制器處理采集到的信號，確定心電波形中Q、R、S點，計算R、S兩點時間，分析計算使用者的心率，采集兩次心跳用時，計算其差值超過20%，即判定出現心律不齊，蜂鳴器報警。將采集到的信息通過Wi-Fi上傳數據到移動終端手機上，制作APP顯示標注出Q、R、S點的心電波形、心率、體溫、運動步數和運動距離。

ADS1292心電測試模塊通過激勵產生電信，測量人體呼吸阻抗，設參考電壓為2.5 V，從而計算出實時的人體呼吸阻抗變化數據，采集數據時，易受到環境噪聲干擾，因此，我們對采集的出數據使用Matlab進行前期的分析處理，得到了較為直觀的數據波型圖，從而選擇平滑濾波，并且使用簡易的分窗處理，快速獲得相應的心電信號，通過分窗取樣分析法計算出心跳脈搏位置。

LMT70溫度傳感器使用二階曲線或三階曲線擬合參數，準確度等同適用于人體溫度測量的有限溫度范圍查找表（LUT）中的準確度，適用于10℃至110℃的三階方程式。也適合20 ℃至45 ℃的二階曲線，能提供較準確的結果。

ResAVG=×ResADC

STP100M模塊轉換出人體步行步行過程中，三軸方向的單軸加速度變化的值，對采集的加速度正選波形，并產生周期性脈沖，主控芯片采用輪詢的方式檢測脈沖激勵，濾除雜波，累加有效脈沖計數值，從而計算出運動步數，訪問模塊內部的寄存器，獲取計算的步伐距離。

2? 核心部件電路設計

2.1? ESP32主控制器

選用ESP32主控制器，其CPU 頻率最高可達240 MHz，具有528 kB RAM，448 kB BootROM，及IIC、DAC、SPI等通用外設，可較好的發揮無線傳輸的功能。本系統主要包括ADS1292、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M。

2.2? ADS1292心電測試模塊

選用ADS1292具有兩個低噪聲可編程增益放大器（PGA）和兩個高分辨率三角積分模數轉換器器（ADC），集成了心電采集所需要的部件，方便設備小型化，最高速率可達125 SPS至8 kSPS，共模抑制比（CMRR）為-105 dB，完全滿足于采集心電信號的性能要求。呼吸檢測是使用了阻抗檢測的方法，使用了的32 KHz高頻方波輸入到人體，然后經過電路濾波后可以計算出兩片電極之間的阻抗變化的大小。呼吸檢測和心電檢測使用的是同一電極，由于心電信號一般在100 Hz下，對于高頻的檢測呼吸的方波是可以通過ADS1292里面EMI電路濾掉的。方框2部分是右腿驅動電路，對于右腿驅動的作用，用于去除共模電壓，通過放大器反向放大之后輸入到人體，并且提供了一個電壓抬升，將測量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保證了輸入電壓是在芯片的檢測范圍內。

2.3? LMT70溫度傳感器模塊

選用的LMT70是一款帶有輸出使能引腳的超小型，高精度，低功耗互補金屬氧化物半導體（CMOS）模擬溫度傳感器LMT70幾乎適用于所有高精度，低功耗的經濟高效型溫度感測應用，多個LMT70可利用輸出使能引腳來共用一個模數轉換器（ADC）通道，從而簡化ADC校準過程并降低精密溫度感測系統的LMT70還具有一個線性低阻抗輸出，支持與現成的微控制器（MCU）/ADC無縫連接.LMT70的熱耗散低于36 μW，這種超低自發熱特性支持其在寬溫度范圍內保持高精度。且低電源電流可以減小到9.2 μA，大大延長了監測時間。

2.4? STP100M計步模塊

選用STP100M計步模塊，使用了一個高性能的計步器主控MCU和一個高靈敏度的G Sensor，結合高精度的3D計步算法，使其在任何方向都可以精確計步。此模塊具有小體積、低功耗，高精度等特點。模塊提供了簡單的脈沖輸出接口。使其能很方便地應用于3D計步器、USB多功能計步器、卡片計步器，以及各種嵌入計步功能的系統，其通訊協議如圖2所示。

2.5? 移動終端

移動終端選取Android系統手機，開發的APP軟件通過TCP/IP網絡協議連接控制器，取得各個傳感器的數據，經運算處理后，送給顯示器，可以直觀的觀察到心電信息、溫度、步數、距離等。采用這種顯示方案，可有效降低前端控制器的運算量，充分發揮移動端強大的數據處理能力。

2.6? 關鍵電路驅動接口

ESP32主控制器主要功能是控制SDA1292模塊、STP100M模塊、LMT70模塊來獲取數據，最終通過Wi-Fi無線傳輸方式發送到手機APP上，STP100M模塊與ESP32之間通過IIC進行通信，IIC接口是用來支持設備配置和傳輸數字主機處理器的頻率值或外部提供的時鐘。

3? 實驗結果

本系統的總體工作流程如圖3所示，首先系統進行初始化，緊接著通過LTM70溫度傳感器采集人體的溫度信息，依次通過STP101M讀出人體的步數，最后讀取ADS1292心電傳感器、分析被測人員心電圖，將所收集到的數據打包通過Wi-Fi發送到監護者的手機上。

本系統的實際測試結果如表1所示，完全能夠勝任對人體的心率、溫度、運動步數以及運動距離等信息的實時采集。從實時采集到的人員信息的心電信號可以看到，本設備均能夠有效地監測當時的心電信號和心率，并且測試結果與實際結果相近，精度符合日常生活需求。

針對目前心電監測儀價格昂貴、抗干擾差、檢測范圍小等問題，本文設計了基于高精度實時心電監測系統。本文針對穩定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運動信息等問題，設計了一種基于ESP32的無線運動傳感器節點裝置。本設計利用前端模擬芯片ADS1292實時采集使用者心電信號，溫度傳感器LMT70測量使用者體表溫度，STP100M計步模塊檢測使用者運動信息。設計實物圖如圖4所示，該裝置能夠實現對人體信息實時監測功能，測量誤差及傳輸延時均達到設計要求，完全可以勝任個人日常心電監測。

4? 結? 論

為了滿足人體日常實時對心電進行監護的需求，不但能夠即時的采集心電信息同時也需在發生突發狀況下立即發出警報，本文提出了一種基于ESP32控制器和多個人體監測傳感器組成的心電監護系統。該系統主要用前端模擬芯片ADS1292實時采集使用者心電信號，該裝置能夠實現對人體信息實時監測功能，測量誤差精度高同時系統傳輸延時小，能夠用于人體日常心電監護。同時，本設計也充分考慮到該裝置的成本、功耗以及小型化等應用需求，并最終致力于轉化成一款用于人體日常心電監護的電子產品。

參考文獻：

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作者簡介：鄭凱（1989—），男，漢族，江蘇淮安人，講師，工學碩士，研究方向：電 子科學與技術。