基于北斗定位技術(shù)的遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯 洋，邱云翔，劉承達(dá)，齊海兵

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

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基于北斗定位技術(shù)的遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯 洋，邱云翔，劉承達(dá)，齊海兵*

(湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于北斗定位技術(shù)和STM32F103的遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由心電信號采集和處理模塊、TFT觸摸屏、北斗定位模塊、GSM模塊等組成。心電信號采集由壓電陶瓷片的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過儀表放大器放大后，通過多回路負(fù)反饋濾波電路，獲取頻率范圍為0.3～3 Hz的心電信號。顯示模塊采用TFT觸摸屏，可以顯示日期、時(shí)間、心跳次數(shù)、經(jīng)度、緯度信息等內(nèi)容。北斗定位模塊獲取用戶所在的地理坐標(biāo)，GSM模塊將健康信息和地理位置信息以短信的形式發(fā)送給用戶的監(jiān)護(hù)人和醫(yī)生，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)。

心電信號；北斗定位；GSM模塊；STM32F103

隨著生活條件的改善，人們對生活質(zhì)量有了更高的追求。老人由于退休后時(shí)間較多，紛紛選擇戶外運(yùn)動(dòng)，比如跳廣場舞、旅游、晨練、散步等，長時(shí)間戶外運(yùn)動(dòng)使心臟的負(fù)荷加大，而且很多老人本身心臟或多或少存在問題，這種情況下就容易發(fā)生危情，比如心臟病復(fù)發(fā)、昏闕等，若沒能及時(shí)得到救治，很有可能會(huì)導(dǎo)致重大危險(xiǎn)。

遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)要求能檢測心率是否正常，快速將病情程度、地理位置等相關(guān)信息傳送給醫(yī)護(hù)人員和親人，以方便救援人員及時(shí)救護(hù)[1]。傳統(tǒng)的測心率設(shè)備過大，不方便老年人隨身攜帶。當(dāng)今部分遠(yuǎn)程心率監(jiān)控系統(tǒng)僅能及時(shí)可靠地發(fā)送心率信號至醫(yī)院，并將診斷信息反饋給病人[2-3]。但是當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，病人的地理位置信息可能更為重要。本設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)北斗定位系統(tǒng)，在病人發(fā)生緊急情況時(shí)啟動(dòng)北斗定位，感知老人所在地理坐標(biāo)的經(jīng)緯度，并將該經(jīng)緯度信息和健康狀況通過GSM模塊以短信方式發(fā)送給老人的子女和醫(yī)生，使之可以得到及時(shí)的救治。平時(shí)當(dāng)老人心率不齊超出正常值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警和語音提示。此外本系統(tǒng)帶有數(shù)據(jù)存儲功能，可以記錄老人的心率信號數(shù)據(jù)，方便醫(yī)護(hù)人員分析和制定相應(yīng)的醫(yī)療措施。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)核心為Cortex M3內(nèi)核STM32F103單片機(jī)，通過壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)感知脈搏的跳動(dòng)，經(jīng)過放大和濾波處理，獲得心率信號；北斗定位模塊對用戶進(jìn)行定位，獲取用GSM 模塊sim900a傳送的用戶心率信息和經(jīng)緯度地理坐標(biāo)信息；TFT觸摸屏顯示心率信號波形和經(jīng)緯度信息；SD卡保存用戶的心率波形數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可根據(jù)這些記錄的信息進(jìn)行相應(yīng)分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)。

2 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS，下稱“北斗系統(tǒng)”)是中國自主創(chuàng)新的重大成果，具有三大功能、五大優(yōu)勢。三大功能：

1)快速定位：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶提供全天候、精度高、快速響應(yīng)、實(shí)時(shí)定位服務(wù)。

2)簡短通信：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)客戶終端具有發(fā)送和接收數(shù)字報(bào)文通信能力，可以一次傳送超過100多個(gè)中文信息。

3)精密授時(shí)：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有單向和雙向2種授時(shí)功能。根據(jù)不同的精度要求,利用授時(shí)終端,完成與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)之間的時(shí)間和頻率同步,可提供數(shù)十納秒級的時(shí)間同步精度。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 心率信號采集和處理

心率信號采集和處理框圖如圖2所示。

壓電陶瓷片是一種電子傳感元件，在2片銅制圓形電極中間放入壓電陶瓷介質(zhì)材料，當(dāng)在2片電極上接通交流音頻信號時(shí)，壓電片會(huì)根據(jù)信號的頻率大小發(fā)生振動(dòng)而產(chǎn)生相應(yīng)的交流信號。壓電陶瓷片由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉，被廣泛地應(yīng)用于電子電器等方面，如：玩具、發(fā)音電子表、電子儀器、電子鐘表、定時(shí)器等。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機(jī)械振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換成電信號。

利用壓電陶瓷片的正壓電效應(yīng)檢測脈搏振動(dòng)，獲取心率信號。由于心率信號非常微弱且頻率很低，信號幅度在40 μV～2 mV之間，頻率范圍為0.3～3 Hz[4]，很容易受到外界干擾，需要進(jìn)行相應(yīng)的放大、濾波處理，發(fā)送給單片機(jī)處理前還需要進(jìn)行整形處理，轉(zhuǎn)化為方波，單片機(jī)檢測一個(gè)周期時(shí)間就可算出1 min心跳次數(shù)[5-7]。

3.2 GSM模塊的通信與設(shè)計(jì)

GSM模塊采用sim900a通信模塊，使用增強(qiáng)型AT指令， AT 即Attention的簡稱。AT指令集是從終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設(shè)備(Data Terminal Equipment，DTE)向終端適配器(Terminal Adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(DCE)發(fā)送的一種指令方式，一般應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間的連接與通信。其對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小有定義：即對于AT指令的發(fā)送，除AT 2個(gè)字符外，最多可以接收1 056個(gè)字符的長度(包括最后的空字符)。

每個(gè)AT命令行中只能包含一條AT指令；對于由終端設(shè)備主動(dòng)向PC端報(bào)告的URC指示或者response響應(yīng)，也要求一行最多有一個(gè)指示，不允許上報(bào)的一行中有多條指示或者響應(yīng)。AT指令以回車作為結(jié)尾，響應(yīng)或上報(bào)以回車換行為結(jié)尾。GSM模塊采用通用異步/同步收發(fā)器(USART)通信協(xié)議與STM32F103通信。

3.3 北斗定位的通信與設(shè)計(jì)

利用北斗一代通信衛(wèi)星RDSS載荷進(jìn)行通信，模塊集成了RDSS射頻收發(fā)芯片、功放芯片、基帶電路等，可完整實(shí)現(xiàn)RDSS收發(fā)信號、調(diào)制解調(diào)全部功能；一體化設(shè)計(jì)，具有小型化、低功耗的特點(diǎn)；全天候的定位導(dǎo)航和雙向報(bào)文通信功能； 支持BD/GPS雙模工作，保證定位結(jié)果準(zhǔn)確； 集成化程度高，RDSS模塊、RNSS模塊、GPS模塊及天線融于一體。北斗二代基帶芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)突破了微弱信號快速軍碼直接捕獲技術(shù)、BD/GPS系統(tǒng)民碼高靈敏度捕獲技術(shù)、高精度兼容型相關(guān)通道技術(shù)、SoC芯片軟硬件協(xié)同開發(fā)技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；多款導(dǎo)航終端開發(fā)過程中突破了多系統(tǒng)兼容定位技術(shù)、失鎖快速重位技術(shù)、多系統(tǒng)兼容完好性監(jiān)測技術(shù)、軍碼信息高效處理技術(shù)、小型化低功耗整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)、整機(jī)電磁兼容技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

程序流程框圖如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后分為2個(gè)模式，一個(gè)模式是進(jìn)入心率檢測模式，另外一個(gè)模式為健康查詢模式。醫(yī)護(hù)人員可以查看系統(tǒng)所記錄的心率信號的數(shù)據(jù)波形，對這些記錄的波形進(jìn)行相應(yīng)的分析。系統(tǒng)默認(rèn)的是心率檢測模式，將檢測到的波形和心跳次數(shù)顯示在TFT觸摸屏幕上，用戶可以直觀地看到自己的健康狀況，另外用戶也可以選擇是否保存此處檢測的波形數(shù)據(jù)。若檢測到用戶心率不正常，則通過聲光提示用戶注意適當(dāng)休息，隔2 min后再次檢測；若檢測發(fā)現(xiàn)仍不正常，則啟動(dòng)北斗定位系統(tǒng)，獲取用戶的經(jīng)、緯度地理坐標(biāo)，通過GSM模塊發(fā)送地理信息和健康狀況。用戶的子女或者醫(yī)生可以及時(shí)地獲知并快速地找到用戶，給與用戶適當(dāng)?shù)闹委煛?/p>

4.2 短信提取定位信息

傳統(tǒng)的手機(jī)短信發(fā)送和接收方式是按照協(xié)議規(guī)定把短信打包，包內(nèi)包含短信內(nèi)容、目的地號碼、編碼格式、類型等信息，然后發(fā)送給基站，基站收到數(shù)據(jù)包后，把它轉(zhuǎn)發(fā)給短信中心，短信中心再根據(jù)短信的目的地號碼派發(fā)給此號碼所在的基站，基站再發(fā)給手機(jī)終端。手機(jī)終端收到短信后按照協(xié)議規(guī)定的格式解碼，然后提示用戶收到短信。

近年來，服務(wù)提供商(Service provider, SP)提供了一種新的短信發(fā)送功能，用戶通過申請SP的測試賬號，并下載對應(yīng)的Linux操作系統(tǒng)的程序接口，通過注冊可以成為短期合法用戶。但是這種方式在讀取短信定位時(shí)還需要在底層完成一系列提取工作。

如接收到的定位短信為： $BDGLL,3012.731972,N,11500.976624,E,000024,000,V,N*52

該內(nèi)容顯示當(dāng)前定位信息為：北緯(N)30°12.731972'；東經(jīng)(E)115°0.976624'。然而百度或者谷歌里面定位是以“度”為計(jì)量單位，所以還需要將上面定位數(shù)據(jù)中的“分”換為“度”。

如上面12.731972÷60=0.21219953;0.976624÷60=0.0162770666。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為：東經(jīng)(E)115.0162770666°,北緯(N)30.21219953°。

在百度地圖API頁面，選擇“工具”菜單中的“坐標(biāo)拾取工具”，進(jìn)入坐標(biāo)反查模式。輸入上面的數(shù)據(jù)即可得到對應(yīng)的定位地圖。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用壓電陶瓷采集并經(jīng)濾波放大處理后的心電信號波形如圖4所示。STM32F103通過捕獲模式檢測信號的周期，60 s除以這個(gè)周期即是1 min心跳次數(shù)。

手機(jī)收到的定位短信如圖5所示,將收到的數(shù)據(jù)輸入百度地圖坐標(biāo)反查，實(shí)現(xiàn)了心率信號采集處理和短信定位功能。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用北斗定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了心率信號的采集、處理和地理位置的短信發(fā)送功能，較好地完成了各部分的功能要求。但是本設(shè)計(jì)還存在一定的問題，如便攜式方面還需進(jìn)一步地改進(jìn)，位置提取操作還較復(fù)雜。應(yīng)設(shè)計(jì)針對手機(jī)的專用軟件(APP),還可針對老年人特點(diǎn)采用語音播報(bào)心率等健康信息。

[1] 岳蜀華，王美涵，郭飛，等.可穿戴式無線心電監(jiān)測儀的研究現(xiàn)狀[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2006，10(4)：262-266.

[2] 蘇成臣，艾信友，肖彬.遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療設(shè)備，2011,24(1)：21-23.

[3] 張曉林，李賡，劉承橋，等. 遠(yuǎn)程心率監(jiān)護(hù)及急救系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015, 15(9):29-31.

[4] 鄧澤霞，楊浩.心電信號濾波器的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008， 29( 4):56-57,59.

[5] 閆慶廣,尹軍,何慶華,等.基于MSP430單片機(jī)的無線光電容積脈搏波檢測模塊[J].半導(dǎo)體光電,2012,33(2):299-302.

[6] 盧超,潘宏利,盧進(jìn)軍,等.無線脈搏測量儀的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(15):89-93.

[7] 楊玉芳,熊繼平,譚黎.基于單片機(jī)的光電脈搏檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(6):100-103.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Design of Remote Heart Rate Monitoring System Based on Beidou Positioning Technology

TangYang,QiuYunxiang,LiuChengda,QiHaibing*

(School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

A remote heart rate monitoring system based on Beidou positioning technology and STM32F103 is designed for the outdoor patient,whose location and condition such as an irregular heartbeat can be timely sent to the rescuer.It is mainly composed of ECG signal acquisition and processing module,Beidou positioning module,GSM module and TFT touch screen module.The ECG signal is firstly acquired by the positive piezoelectric effect of piezoelectric ceramic plate,and then amplified by the instrumentation amplifier,finally the frequency range 0.3～3 Hz of ECG signals are obtained through multi-loop negative feedback filter circuit.The TFT touch screen module can display the date,time,the heartbeat,latitude and longitude information,etc.The Beidou positioning module can get the user's geographic coordinates of the users.At last the GSM module sends the user's health information and location information to guardian and doctors in the form of text messages,so as to realize remote heart rate monitoring.

ECG;Beidou positioning module;GSM module;STM32F103

2017-03-08

湖北省青年教師深入企業(yè)行動(dòng)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：XD2014674)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：201510920009)。

湯洋，本科生。

*通訊作者：齊海兵，教授，博士，研究方向：光電信號、信息處理。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.03.004

TN98

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2095-4565(2017)03-0014-04