人體溫度與心率檢測(cè)設(shè)計(jì)

劉佳華 曹帝杰 牛子健 張子林

摘 要：隨著可穿戴設(shè)備的普及，心率監(jiān)測(cè)功能已經(jīng)成為各種可穿戴設(shè)備必備的功能，但是現(xiàn)有可穿戴設(shè)備所具有的人體心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較單一，不能對(duì)體溫和心率等多種指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，降低了用戶體驗(yàn)感。本設(shè)計(jì)通過一種LabVIEW軟件與單片機(jī)來對(duì)人體溫度和心率進(jìn)行讀取和分析，其原理是利用LabVIEW軟件進(jìn)行各種子VI設(shè)計(jì)，主要包括收集MIT-BIH通道數(shù)、采樣率、數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、數(shù)值等參數(shù)，并收集電壓轉(zhuǎn)換倍數(shù)、數(shù)據(jù)格式分析以及單片機(jī)溫度等數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)成本較低，可以節(jié)約人工成本，同時(shí)具有人機(jī)交互性強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;單片機(jī);數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：R318.6;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）11-053-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.11.025

為實(shí)現(xiàn)采集人體心率和溫度等目標(biāo)，筆者結(jié)合單片機(jī)開發(fā)板，運(yùn)用溫度傳感器模塊和MIT-BIH讀取，進(jìn)行溫度與人體心率的實(shí)時(shí)采集與顯示，在LabVIEW2018軟件上搭建信息采集的前面板與子程序。

1 溫度采集模塊設(shè)計(jì)

利用DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集。在8段數(shù)碼管上顯示采集溫度的示數(shù)變化（整數(shù)部分顯示整數(shù)溫度，小數(shù)保留一位小數(shù)），可以根據(jù)用戶需求設(shè)置采樣時(shí)間、溫度范圍、溫度采集的開始與結(jié)束等。

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，也是開發(fā)測(cè)量或控制系統(tǒng)的理想選擇。LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學(xué)家快速構(gòu)建各種應(yīng)用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學(xué)家解決問題、提高生產(chǎn)力，推動(dòng)不斷創(chuàng)新。界面的設(shè)計(jì)與控制就變得十分方便，子程序的編寫更加直觀明確，使人容易理解。

單片機(jī)開發(fā)板一般具有流水燈、點(diǎn)陣顯示、DS18B20溫度檢測(cè)、液晶屏、SD卡、收音機(jī)、mp3解碼等功能，為開發(fā)提供了很大的便利。DS18B20溫度檢測(cè)模塊是開發(fā)板自帶的，能夠直接將程序?qū)戇M(jìn)去，方便實(shí)用。

利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)板，加上LabVIEW開發(fā)軟件，為設(shè)計(jì)基于LabVIEW的連續(xù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了很大的幫助。

單片機(jī)開發(fā)板具有的功能較多，但是該設(shè)計(jì)中僅僅使用顯示模塊和溫度傳感器模塊，因此將單片機(jī)與LabVIEW調(diào)通之后，在設(shè)計(jì)界面、編寫程序過程中，只需要使用這兩個(gè)模塊的功能，通過LabVIEW編程控制單片機(jī)即可。

單片機(jī)和PC的通信，是通過單片機(jī)串口和PC串口之間的硬件連接實(shí)現(xiàn)的。在許多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，上、下位機(jī)分工明確，作為下位機(jī)核心器件的單片機(jī)往往只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和通信，而上位機(jī)通常以基于圖形界面的Windows系統(tǒng)為操作平臺(tái)。為便于查詢和保存數(shù)據(jù)，還需要數(shù)據(jù)庫的支持，這種應(yīng)用的核心是數(shù)據(jù)通信，其包括單片機(jī)和上位機(jī)之間、客戶端和服務(wù)器之間，以及客戶端和客戶端之間的通信，而單片機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信則是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)通信的硬件采用3線制，將單片機(jī)和PC串口的3個(gè)引腳（RXD、TXD、GND）分別連在一起，即將PC和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD與接收數(shù)據(jù)RXD交叉連接，兩者的地線GND直接相連，而其他信號(hào)線，如握手信號(hào)線均不使用，采用軟件握手的方式。這樣既可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)，又可以簡化電路設(shè)計(jì)。

在保證單片機(jī)能夠順利通信之后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。

利用Keil C51和LabVIEW編寫程序?qū)崿F(xiàn)PC與單片機(jī)串口的通信后，就可以在LabVIEW 2018上設(shè)計(jì)界面、編寫程序[1]。

1.1 LabVIEW前面板設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)需要有溫度的數(shù)字顯示、柱狀顯示與波形圖顯示，并能夠設(shè)置溫度的上下限，采集頻率的快慢能夠更改，儲(chǔ)存的位置與形式可以選擇，并使串口參數(shù)與單片機(jī)開發(fā)版保持一致。運(yùn)用labview前面板的功能對(duì)這些功能進(jìn)行布局，設(shè)計(jì)其主界面。

其具有的功能顯示自上而下，依次為時(shí)間顯示、開始按鍵、文件儲(chǔ)存位置選擇、采集停止按鈕、串口參數(shù)設(shè)置口、溫度波形圖、溫度計(jì)、溫度值、采集時(shí)間、溫度上下限、溫度狀態(tài)、溫度狀態(tài)燈等。

運(yùn)行l(wèi)abview之前，將單片機(jī)的串口參數(shù)設(shè)置正確，并選擇溫度采集的溫度存儲(chǔ)位置，設(shè)置溫度的上下限。點(diǎn)擊開始按鍵，單片機(jī)開發(fā)板就開始采集溫度數(shù)據(jù)，此時(shí)的時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)間保持一致，溫度傳感器對(duì)采集的溫度進(jìn)行數(shù)值顯示、柱狀顯示以及波形圖顯示。改變溫度傳感器周圍的溫度，能夠觀察到采集的溫度的變化[2]。

1.2 LabVIEW子程序設(shè)計(jì)

建立主界面顯示，需要特定的程序?qū)崿F(xiàn)，于是根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞?，加上循環(huán)指令和中斷指令保證實(shí)時(shí)連續(xù)采集與儲(chǔ)存，并能實(shí)現(xiàn)顯示。

每一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，都需要制定一個(gè)程序。首先，串口傳輸設(shè)定一個(gè)固定的參數(shù)，能夠?qū)纹瑱C(jī)采集的溫度數(shù)據(jù)，通過串口傳輸?shù)絣abview前面板上顯示。點(diǎn)擊“開始”指令，如果滿足通訊協(xié)議，就通過了真假判斷指令，執(zhí)行接下來的程序;如果不滿足程序就會(huì)報(bào)錯(cuò)，提醒修改。之后進(jìn)入while循環(huán)，在循序結(jié)構(gòu)圖中，首先判斷進(jìn)入信號(hào)是否滿足要求，滿足要求進(jìn)入第二層結(jié)構(gòu)。在第二層結(jié)構(gòu)中可以設(shè)定采集信號(hào)的頻率，根據(jù)設(shè)定頻率采集周圍環(huán)境的溫度。這時(shí)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過字符串的轉(zhuǎn)化，分到三部分進(jìn)行顯示和判斷，其中的一部分通過連接字符串進(jìn)入存儲(chǔ)格式選擇，格式自帶的日期和系統(tǒng)保持一致;另外一部分則直接通過數(shù)值和溫度計(jì)直接顯示;最后一部分則要判斷采集的溫度是否在設(shè)定溫度之間，若在范圍內(nèi)就顯示正常指示燈綠色，如果不在，就會(huì)顯示不正常，變?yōu)榧t色。最后點(diǎn)擊“結(jié)束”，即可不再采集。否則，一直進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。后面板設(shè)計(jì)如圖1所示[3]。

2 心率采集模塊設(shè)計(jì)

心電信號(hào)的分析比較復(fù)雜，可能會(huì)用到高級(jí)信號(hào)處理工具箱（ASPT）和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具箱（DFDT）等。另外，還有NI LabVIEW生物醫(yī)學(xué)工具包，工具包的VI庫包含多種信號(hào)處理算法，用于許多常見的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理任務(wù)，比如EEG和ECG信號(hào)仿真、EEG雙譜和相干性分析、ECG特性提取和EMG功率分析等。對(duì)于本設(shè)計(jì)，筆者僅利用LabVIEW的基本函數(shù)進(jìn)行簡單的心電信號(hào)分析。典型的心電信號(hào)如圖2所示。

可以利用信號(hào)處理→波形測(cè)量→波形監(jiān)測(cè)→波形波峰監(jiān)測(cè)函數(shù)測(cè)量出心電信號(hào)各尖峰（R）的位置和尖峰數(shù)量，由各尖峰的位置差可以計(jì)算出每次心跳的時(shí)間間隔（RR間隔）并進(jìn)而計(jì)算出每次心跳的頻率，這樣就可以分析出平均心率和心率的標(biāo)準(zhǔn)差。每兩次心跳的間隔都是不同的，由RR間隔可以計(jì)算出RR間隔的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

HRV分析提供了自主神經(jīng)系統(tǒng)（ANS）的一個(gè)定量標(biāo)記，因?yàn)镠RV的調(diào)節(jié)機(jī)制源自交感和副交感神經(jīng)系統(tǒng)。迄今為止，許多研究人員和工程師都致力于發(fā)掘HRV分析中對(duì)臨床應(yīng)用有價(jià)值的信息。在過去的十年中，已經(jīng)發(fā)表了超過2 000篇關(guān)于HRV的文章，這些文章考察了HRV與血壓、心肌梗塞、神經(jīng)系統(tǒng)、心律失常、糖尿病、呼吸、腎衰竭、性別、年齡、疲勞程度、藥物、吸煙、酒精等因素的關(guān)系[4]。

3 結(jié)語

文章闡述的人體心率與溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)方法簡單但具有創(chuàng)新實(shí)用性，對(duì)日常生活比較實(shí)用方便。利用LabVIEW2018軟件與單片機(jī)進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限，有很好的創(chuàng)新性。設(shè)計(jì)方法簡單，但功能齊全，是一種檢測(cè)人體心率與溫度的好方法[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊忠仁，饒程，鄒建，等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，27（2）：18-22.

[2] 陳敏，湯曉安.虛擬儀器軟件LabVIEW與數(shù)據(jù)采集[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2001，22（4）：32-35.

[3] 呂向鋒，高洪林，馬亮，等.基于LabVIEW串口通信的研究[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28（12）：8-11.

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[5] 胡蔣明，張曉青，賈豫東，等.3km分布式多模光纖溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2016（6）：45-47.