謝景衛(wèi)
(大連大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,遼寧 大連 116622)
我國(guó)目前有近2億個(gè)獨(dú)生子女家庭,這些家庭中的長(zhǎng)輩應(yīng)該都超過(guò)了六十歲。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)現(xiàn)有六十歲以上老年人口已經(jīng)達(dá)到了2億多人,人口老齡化進(jìn)程在加速,年均增長(zhǎng)速度超過(guò)3%。老年人的健康問(wèn)題關(guān)系到一個(gè)非常大的群體,正引起了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。眾多的獨(dú)生子女為了生存及改善生活出門在外拼搏,很多已經(jīng)不跟父母常住在一起,使得沒(méi)有兒女照顧的老人數(shù)量非常巨大。隨著年齡的增長(zhǎng),各種心血管疾病發(fā)病率逐漸增高,而高血壓、心臟疾病等又有非常高的致殘和死亡率。而這些疾病如果能盡早發(fā)現(xiàn)并給予相應(yīng)的早期治療,可以有效的減少并發(fā)癥及后遺癥的產(chǎn)生,提高老年人的身體狀況和壽命。同時(shí)跌倒已經(jīng)成為老人健康問(wèn)題的頭號(hào)“殺手”。子女不放心老人的健康問(wèn)題,需要實(shí)時(shí)知道父母的身體狀況,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,智能化可穿戴設(shè)備的需求市場(chǎng)非常大,本文設(shè)計(jì)了一套使用STM32作為主控MCU的健康數(shù)據(jù)采集設(shè)備,同時(shí)兼具能監(jiān)測(cè)老人的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),發(fā)生異常時(shí)及時(shí)通過(guò)北斗定位系統(tǒng)將坐標(biāo)位置發(fā)出,也可以通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備與身邊的智能手機(jī)自動(dòng)相連,通過(guò)智能手機(jī)自動(dòng)打電話給子女,達(dá)到身體健康狀況異常時(shí)第一時(shí)間處理,大大提升老年人的生命周期。目前,我國(guó)正大力推廣我們自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用,本文設(shè)計(jì)的一種基于北斗定位的老人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng),具有低功耗、智能化、可穿戴等優(yōu)點(diǎn),以及良好的技術(shù)先進(jìn)性和極大的社會(huì)價(jià)值。
本系統(tǒng)的控制核心MCU為具有Cortex M4內(nèi)核的STM32F405RGT6芯片,通過(guò)MTK的生物感應(yīng)模擬前端芯片 MT2511,MT2511可同時(shí)采集心電圖(EKG)信號(hào)和光電容積脈搏波(PPG)信號(hào)。這兩種信號(hào)分別經(jīng)過(guò)濾波電路后送給主控MCU,經(jīng)過(guò)軟件算法優(yōu)化,得到心率、血壓、心電、血壓等數(shù)據(jù);六軸加速度傳感器MPU6050隨時(shí)監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并將實(shí)時(shí)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給主控MCU。MCU計(jì)算出人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并保存在內(nèi)嵌的FLASH中,一旦計(jì)算出跌倒等異常狀態(tài)時(shí),發(fā)出警示,并調(diào)用北斗導(dǎo)航UC6225芯片得到地理坐標(biāo)信息,MCU處理后通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給身邊的智能手機(jī),智能手機(jī)會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前坐標(biāo)位置短信發(fā)給預(yù)先設(shè)置的手機(jī)上。藍(lán)牙芯片也可以在空閑時(shí)間將所有存儲(chǔ)在MCU的FLASH中的被監(jiān)測(cè)人的生理數(shù)據(jù)傳輸給智能手機(jī),智能手機(jī)記錄所有信息,以便進(jìn)行相應(yīng)的分析處理等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
信息處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體[1]的 STM32F405RGT6作為主控芯片。STM32F405RGT6是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32為處理器[2],主頻 168 MHz,內(nèi)核功耗僅為 128 μA/MHz。它支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)運(yùn)算,片上集成192 KB的SRAM和1MB的FLASH。STM32F405RGT6利用意法半導(dǎo)體的ART加速器實(shí)現(xiàn)了FLASH零等待狀態(tài),并且能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)功耗[3]。STM32F405RGT6集成了多達(dá)17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)12位DAC,3路12位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器,16個(gè)采集通道。模數(shù)轉(zhuǎn)換器可兩路同時(shí)采集,單路采樣速率每秒2.4 M,兩路交錯(cuò)采集速率每秒7.2 M;通信接口包括 6個(gè)串口(USART)、3個(gè) SPI接口、1個(gè)SDIO接口、3個(gè)I2C總線接口、2個(gè)CAN總線。串口速度每秒 10 Mbit以上,SPI總線速度每秒 40 Mbit以上。
信息采集模塊中的脈搏、心率、心電的信號(hào)采集選用聯(lián)發(fā)科技(MediaTek Inc.)專為健康與健身可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的生物感應(yīng)模擬前端芯片(Analog front-end,“AFE”)MT2511。MT2511 可同時(shí)采集心電圖(EKG)和光電容積脈搏波(PPG)發(fā)出的生物信號(hào)。芯片內(nèi)部集成鎖相環(huán),能夠使EKG和PPG 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保持同步,而且它的功耗也非常低。當(dāng)單獨(dú)采集光電容積脈博波信號(hào)或心電圖信號(hào)時(shí),電流不超過(guò)0.5 mA,兩種信號(hào)同時(shí)采集時(shí)電流不超過(guò)1.2 mA。MT2511具有聯(lián)發(fā)科技自主研發(fā)的心跳間隔技術(shù),片上集成了4KB的SRAM,能夠優(yōu)化芯片各個(gè)采集模塊的整體系統(tǒng)功耗。MT2511支持互聯(lián)的SPI/I2C接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 MT2511系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
藍(lán)牙[4]傳輸模塊選擇德州儀器 TI公司的CC2540F128芯片[5]。CC2540F128是應(yīng)用于便攜式傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的低功率單片藍(lán)牙4.0解決方案。它是一個(gè)超低功耗的真正單晶片系統(tǒng),包含一個(gè)優(yōu)異的無(wú)線射頻傳送接收器以及數(shù)位感應(yīng)器和適當(dāng)?shù)耐鈬骷?,片上集?28 K的FLASH。具有精確的無(wú)線射頻訊號(hào)強(qiáng)度指示,內(nèi)含AES-128加密模塊。CC2540F128具有很低的睡眠模式功率消耗及不同工作模式間短暫的轉(zhuǎn)換時(shí)間,適用于需要超低消耗功率的系統(tǒng)[6]。CC2540F128的接口電路圖如圖3所示。
圖3 藍(lán)牙芯片外圍電路
坐標(biāo)定位系統(tǒng)選用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[7](BeiDou Navigation Satellite System,BDS)。模塊的核心芯片為北斗導(dǎo)航子公司和芯星通的Mockbird UC6225,該芯片是小型化的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS) 基帶射頻一體化芯片。UC6225 芯片采用完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GNSS技術(shù),一體化方案需要更少的外圍器件,節(jié)約硬件成本,使產(chǎn)品擴(kuò)展應(yīng)用成本低、體積小、性能高,具有良好的用戶體驗(yàn)。UC6225芯片配置靈活多樣,可同時(shí)支持 64通道信號(hào)定位,具有獨(dú)特的Ultra-sense高靈敏度基帶設(shè)計(jì),定位精度(RMS)可達(dá)2.5 m CEP,北斗 B1的跟蹤靈敏度為-161 dBm。UC6225集成SPI接口的片上Flash,無(wú)需外接存儲(chǔ)器即可存儲(chǔ)定位數(shù)據(jù)。芯片供電電源1.8 v,連續(xù)跟蹤時(shí)功耗約90 mW。簡(jiǎn)潔的一體化定位解決方案非常適合于移動(dòng)監(jiān)控、導(dǎo)航、追蹤等消費(fèi)類應(yīng)用。
坐標(biāo)定位模塊采用和芯星通的UM220-III NB模塊。這個(gè)模塊是北斗和GPS雙定位模塊的集成應(yīng)用。UM220-III NB采用北斗抗干擾UC6225芯片,具有集成度高,適合GNSS規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)。此模塊高性價(jià)比,抗干擾,能在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定精確定位。輸出接口為1個(gè)串口和1個(gè)PPS輸出,數(shù)據(jù)格式協(xié)議是NMEA 0183和Unicore,數(shù)據(jù)更新率為默認(rèn)值為1 Hz,也可以通過(guò)配置更改數(shù)據(jù)更新率。模塊冷啟動(dòng)定位時(shí)間為32 s,熱啟動(dòng)定位時(shí)間為1 s。UM220-III NB模塊外圍電路圖如圖4所示。
狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)模塊選用 InvenSense公司的MPU6050模塊[8]。MPU6050是一款低成本的6軸傳感器模塊,包括三軸加速度和三軸角速度陀螺儀。它對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別使用了三個(gè)16為的ADC,可以使直接測(cè)量到的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)化為單片機(jī)容易處理的數(shù)字信號(hào)量。為了精確測(cè)定待測(cè)物體的三維角度和三維加速度,傳感器的測(cè)量范圍可以編程設(shè)置。該芯片內(nèi)部自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎,可以直接輸出經(jīng)過(guò)解算后的姿態(tài)數(shù)據(jù)。陀螺儀工作電流為5 mA;加速器計(jì)工作電流為350 uA。與外圍設(shè)備之間通信采用400 KHz的I2C接口或1 MHz的SPI接口。接口電路如圖5所示。
圖4 定位模塊接口電路
圖5 加速度傳感器接口電路
本套系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)STM32F405RGT6高效準(zhǔn)確的讀取MPU6050模塊的三維角度和加速度、UM220-III NB模塊的坐標(biāo)數(shù)據(jù),控制CC2540F128芯片與智能手機(jī)互聯(lián)發(fā)送數(shù)據(jù)。重點(diǎn)計(jì)是讀取MT2511采集到心電圖(EKG)和光電容積脈搏波(PPG)生物信號(hào),軟件濾波[9]、算法優(yōu)化得到血壓、心率、心電、脈搏等數(shù)據(jù)。
大量理論與實(shí)驗(yàn)表明,血壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(PWTT)存在著近似線性關(guān)系[10]。因此本文就是利用從 MT2511中采集到心電信號(hào)和光電容積脈搏波信號(hào),通過(guò)這個(gè)兩個(gè)信號(hào)的融合求出特征點(diǎn)的時(shí)間差,得出脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間,進(jìn)而擬合出對(duì)應(yīng)的脈搏血壓值。已有許多產(chǎn)品的心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)是由兩個(gè)獨(dú)立的硬件模塊進(jìn)行采集的,而本系統(tǒng)的兩種信號(hào)是通過(guò)一個(gè)芯片MT2511同時(shí)采集,大大的減小了因?yàn)闀r(shí)間同步問(wèn)題而帶來(lái)的誤差。
脈搏波的傳導(dǎo)時(shí)間和血壓之間的線性關(guān)系為:量,P為血管的跨壁壓強(qiáng)。
對(duì)于給定的一個(gè)個(gè)體,他的血壓改變時(shí)血管內(nèi)徑和血管壁厚度的改變微乎其微,因此對(duì)上式進(jìn)行求導(dǎo)后,第二項(xiàng)可以近似看作一個(gè)常量,所以上式可以簡(jiǎn)化為:
簡(jiǎn)化后的式子說(shuō)明,在血管的厚度和內(nèi)徑變化不大的情況下,血壓的變化量與脈搏波的傳導(dǎo)時(shí)間變化量成正比,可以將血壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間 PWTT寫為:
其中,α和β是待定系數(shù),每個(gè)個(gè)體在短時(shí)間內(nèi),這個(gè)數(shù)值是常數(shù)。大量的研究數(shù)據(jù)得到 α值約為-0.7~-0.9,β值約為 270~300。為了分別確定每個(gè)待測(cè)個(gè)體的α和β值。本系統(tǒng)借助袖帶血壓測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)參數(shù)。因袖帶血壓測(cè)量一次需要半分鐘左右,而此時(shí)會(huì)采集到多次心電及脈搏信號(hào),所以選取 10次測(cè)量平均值計(jì)算脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間。利用本系統(tǒng)自帶的按鍵將袖帶血壓測(cè)量值輸入系統(tǒng),對(duì)待定系數(shù)矯正之后存入片上Flash中,達(dá)到一個(gè)個(gè)體只需要一次測(cè)量矯正即可。
本系統(tǒng)兩種信號(hào)是同一個(gè)芯片采集,利用定時(shí)器可以準(zhǔn)確的測(cè)量這個(gè)時(shí)間查,關(guān)鍵是通過(guò)軟件算法準(zhǔn)確的找到這個(gè)起至點(diǎn)。將心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)采集后連同時(shí)間同時(shí)存入數(shù)組中,通過(guò)算法得到心電信號(hào)的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間,以及此次峰值后脈搏波到達(dá)峰值20%的時(shí)間,兩個(gè)時(shí)間之差即為一次PWTT。
STM32F405RGT6設(shè)計(jì)的采樣頻率為560Hz,由于心電信號(hào)的頻率0.05Hz~100Hz,直接采集到數(shù)據(jù)會(huì)有噪聲存在。一般在MT2511輸入端再設(shè)計(jì)一濾波器電路進(jìn)行消除噪聲干擾。將心電信號(hào)EKG和光電容積脈搏波PPG信號(hào)和產(chǎn)生的時(shí)間分別存儲(chǔ)在MCU中的FLASH中,利用適當(dāng)?shù)能浖V波算法,得到心電、脈搏、心率等信號(hào),并計(jì)算出心電信號(hào)的峰值和光電容積脈搏波的峰值、谷值。利用差分閾值,提取出這些峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間,并對(duì)這些時(shí)間分別求差,計(jì)算出脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間。為了減小這個(gè)時(shí)間的誤差,采取去掉最大值和最小值再求平均值。最后計(jì)算出個(gè)體血壓值。
坐標(biāo)定位模塊UM220-III NB工作前,需要先初始化。初始化信息如下:
(1)初始化及配置串口,命令為:$CFGPRT,1,0,57600,3,3
該命令設(shè)置使用串口1,波特率為57600,數(shù)據(jù)格式輸入為和芯星通軟件接口協(xié)議、輸出為 NMEA協(xié)議。
(2)設(shè)定衛(wèi)星系統(tǒng)配置,命令為:$CFGSYS,h48
設(shè)定接收機(jī)使用的衛(wèi)星頻點(diǎn),執(zhí)行該命令后,接收機(jī)會(huì)復(fù)位,復(fù)位后設(shè)定才生效。本示例為只開(kāi)啟北斗定位系統(tǒng)頻點(diǎn)。
(3)設(shè)定NMEA配置,命令為:$CFGNMEA,h30
該命令設(shè)置輸出的NMEA協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)version3.0基礎(chǔ)上擴(kuò)展北斗相關(guān)的語(yǔ)句。
(4)設(shè)定輸出特定消息的輸出配置,命令為:$CFGMSG,0,1,0
該命令設(shè)置GLL關(guān)閉輸出。這個(gè)命令的第一個(gè)參數(shù)為消息類別,0代表GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、VTG、ZDA、GST消息,1代表POS、VEL、TIME、ACC消息,第二個(gè)參數(shù)代表消息ID,第三個(gè)參數(shù)代表最高輸出頻度,如果設(shè)置為0表示關(guān)閉該消息輸出。
UM220-III NB初始化完之后就可以接收數(shù)據(jù)。在Unicore 協(xié)議中[11],輸入和輸出的語(yǔ)句被統(tǒng)稱為消息。每條消息均為全 ASCII 字符組成的字符串。消息的基本格式為:
$MSGNAME,data1,data2,data3,…[*CC]
所有的消息都以“$”開(kāi)始,后面緊跟著的是消息名[12],之后跟有不定數(shù)目的參數(shù)或數(shù)據(jù)[13]。為了提取我們需要的經(jīng)緯度信息,必須正確解析收到的命令。每條 NMEA指令中信息[14]均以逗號(hào)分隔。如$BD2GGA,062841.000,3801.1152,N,11607.0859,E,1,4,2.677,36.243,M,0,M,*70這條命令,我們需要緯度是3801.1152,N代表北緯,經(jīng)度為11607.0859,E代表東經(jīng)。
人正常行走或日常生活中時(shí),身體的加速度信息是平穩(wěn)變化的,當(dāng)發(fā)生跌倒等意外情況時(shí),加速度信息會(huì)急劇變化,加速度幅度范圍一般不超過(guò)±7 g,所以MPU6050的量程選擇±8 g。跌倒的時(shí)候除了加速度值會(huì)急劇變化,角度值也會(huì)有很大的變化,我們把角度值短時(shí)間變化超過(guò)60度也定義為意外狀態(tài)。由于跌倒的時(shí)候方向可前、可后、可左、可右,因此為了準(zhǔn)確判斷被監(jiān)測(cè)對(duì)象,我們?nèi)〗嵌群图铀俣茸兓实幕蜻\(yùn)算。即任一時(shí)刻與前一時(shí)刻相比,x、y、z三軸中大于等于一個(gè)軸的角度變化超60度同時(shí)大于等于一個(gè)軸的加速度超過(guò)1.5個(gè)g,均定義為跌倒?fàn)顟B(tài)。狀態(tài)數(shù)據(jù)采集周期100 ms,即每100 ms記錄一次三軸角度和三軸加速度,時(shí)間間隔選擇 500 ms,取連續(xù)兩個(gè)500 ms間隔的各個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)的平均值作為判斷依據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到跌倒?fàn)顟B(tài)時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)出滴答聲音警報(bào)。本系統(tǒng)設(shè)置有報(bào)警取消按鍵,警報(bào)提示音后10 s內(nèi)若未按下取消報(bào)警按鍵將立即啟動(dòng)藍(lán)牙模塊,并通過(guò)北斗導(dǎo)航讀取位置參數(shù),將此時(shí)的坐標(biāo)參數(shù)連同人體的生理參數(shù)發(fā)給智能手機(jī)。智能手機(jī)收到異常數(shù)據(jù)后立即以短信的形式通知出去。
本文設(shè)計(jì)了基于stm32和MT2511的智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng),主要實(shí)現(xiàn)了血壓、心率、心電、脈搏、跌倒監(jiān)測(cè),并可將狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上保存分析及發(fā)送報(bào)警警報(bào)等。本系統(tǒng)選取的stm32是目前性價(jià)比非常高的MCU,生物感應(yīng)模擬前端芯片選用聯(lián)發(fā)科技MT2511比分立元件抗抗干擾行強(qiáng),同時(shí)性價(jià)比也比較高,定位芯片選取國(guó)產(chǎn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。同時(shí)配合相應(yīng)的軟件濾波及處理算法等,使得本系統(tǒng)功耗較低、便攜可穿戴、抗干擾能力強(qiáng),相比市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景。
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