基于STM32的智能心电采集和传输系统

来源:物联网技术
关键字:单片机,心率传感器,串口通信
发布时间:2019-12-15 17:38

　　摘要：为了满足人们对实时健康监护的需求，设计了一种基于STM32的心电采集和传输系统。该系统以STM32F411RET6为核心主控，主要由心电信号采集模块、蓝牙无线传输模块和用于心电显示与处理的上位机和手机模块组成，给出了硬件电路的设计方案及软件程序流程。通过系统调试，系统硬件可以完成心电信号的采集、处理与传输，系统软件也实现了基本的数据接收与作图功能。系统功耗低，有较好的稳定性和实时性，可以实现对心电信号的实时显示和存储。

　　关键词：单片机；心率传感器；蓝牙；串口通信；ECG；Android；移动健康

　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）11-00-03

　　0 引言

　　结合目前发展较为完善的网络，通过便携心电监测系统的检查，有助于心血管疾病的早期控制和有效治疗。另外，进一步发展便携式心电监测系统有利于在社区形成独立的医疗网络体系，从而可以更好地照顾社区内的老人，社区内及时监测日益增长的老龄化人口具有重要意义。本设计是以STM32F411RET6为核心主控的一款心率检测设备。Android APP使用蓝牙通信获取单片机端的数据。

　　1 系统总体设计方案

　　系统基于模数转换实现外部信号的采集，然后再对获得的数字量进行分析、处理及显示。系统组成如图1所示。

　　硬件由基于STM32F411RET6的核心控制板，基于TI CC2541的蓝牙4.0模块以及心率传感器组成。心率传感器是一种反射式光电心率传感器，传感器输出模拟量，借助STM32的A/D转换，经分析处理得到数字信号，进而获得心率值BPM和心率间隔IBI等生理信号。

　　硬件系统核心基于STM32F411RET6，连接心率传感器获取生理信号，通过低功耗蓝牙与手机通信，经USB2UART与PC端通信。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 心率传感器模块

　　系统采用反射式光电心率传感器，该传感器输出模拟量，在采集时需要进行A/D转换才能成为供主控芯片分析处理的数字信号。经过分析和计算可以获得脉搏值、心率值及相邻心拍间隔时间等。

　　2.1.1 测量原理

　　心率传感器基于光电容积法[17]，其理论依据为Beer-Lambert Law，即一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，该单色光的吸光度A与吸光物质的浓度c、吸收层的厚度d成正比。心率传感器进行生理信号采集的基本原理：利用人体组织在血管血液流动时产生的不同的透光率。心率传感器整体结构如图2所示。

　　实际上，心率传感器的原理基于反射式光电容积脉搏法。由圖2可知，发光光源即本设计中使用的绿光LED发出光到皮肤表层，然后光接收器即APDS-9008接收反射回来的光信号，该信号经滤波电路、放大电路后输出模拟信号。

　　2.1.2 心率传感器电路

　　心率传感器电路如图3所示，由图中可以看出心率传感器为单路输出。

　　2.2 蓝牙通信模块设计

　　本设计的蓝牙通信基于蓝牙4.0模块，为低功耗蓝牙。

　　系统使用的核心芯片是TI公司设计生产的TICC2541，它是一款针对BLE以及private-2.4 GHz应用的SoC解决方案。USB2UART电路如图4所示。

　　3 系统软件设计

　　系统的软件设计分为三部分，如下所示：

　　（1）第一部分是单片机端，基于A/D转换的数据采集与分析部分；

　　（2）第二部分是Windows端的上位机部分，主要完成ECG信号的波形显示；

　　（3）第三部分是Android客户端，用于完成手机和单片机之间的通信。

　　数据采集与分析部分主要由心率传感器采集数据，之后传输到STM32单片机进行数据处理与分析，得到心率值BPM和相邻心率间隔数据IBI，最后单片机通过UART将数据传输至电脑上位机，经低功耗蓝牙将数据传输至手机客户端。整体设计如图5所示。

　　整体设计分为5大模块，分别为生理信号采集模块、A/D转换和数据处理模块、数据传输模块、上位机显示模块、Android端显示模块。

　　4 系统调试

　　系统调试主要展示系统的运行结果，将按照硬件调试和软件调试分别说明。

　　4.1 系统硬件调试

　　系统硬件调试的目的在于实现信号传输的完整性。系统由心率传感器、主控板、蓝牙通信模块以及USB供电通信线组成。经过基本调试，心率传感器可以获取皮肤表层生理信号，经过放大后传输至STM32主控，经A/D转换后可将信号传输至PC端。

　　4.2 系统软件调试

　　系统软件调试主要是PC端上位机的数据接收与作图调试和Android端蓝牙数据接收调试。

　　4.2.1 上位机调试

　　PC端上位机主要用于处理通过USB获取的数据，并做出ECG心率图。图6所示为上位机的工作界面，共有5部分显示内容，即顶部的Title显示，显示学校及个人昵称；处于主要部分的ECG显示串口；右上角的心率值显示；底部的放缩率显示；右下角的心率间隔IBI显示。

　　由图6可以看出，上位机完成了基本功能—ECG作图和心率值显示，另外还添加有图像放缩显示功能。

　　4.2.2 Android端调试

　　系统的Android端主要通过手机自带的蓝牙与硬件采集装置进行通信。开启软件后，首先会弹出Alert对话框要求打开蓝牙，如图7所示。点击同意打开之后，软件开始扫描可用的BLE设备，如图8所示。由于测试时仅附近有系统的蓝牙，所以发现设备列表中仅显示一个设备。之后点击连接可用的蓝牙设备，连接成功后即可进行数据传输，蓝牙连接成功界面如图9所示。Android完成了基本的蓝牙扫描、连接与数据传输。

　　5 结语

　　基于移动医疗的背景进行方案选择与整体系统设计，通过系统调试，系统硬件可以完成心电信号的采集、处理与传输，系统软件也完成了基本的数据接收与作图功能，系统功能得以实现。但需要注意的是该心率检测装置精度不高，目前不适用于专业医疗领域的心率检测。

　　参考文献

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