便携式心率与体温健康监测系统设计

付厚奎 杨玲玲

(武汉软件工程职业学院 湖北 武汉：430205)

在现代快节奏的生活模式下，频繁去医院或诊所进行常规健康检查对大部分人并不方便，通过便携式健康监测设备实时监测人体关键健康指标成为便捷有效的方式。这种设备既可以帮助识别多种疾病的早期症状从而加以预防，还可以帮助人们记录日常健康状况，正日益成为更多人生活中的必需品。本文设计开发了一种便携式健康监测系统，该系统主要对心率和体温两个基本健康指标进行测量，具有低功耗、低成本、采样便捷等优点，便于实现小型化和移动化。

1 总体架构

本文所设计的健康监测系统主要从人体手指部位对心率和体温进行采样，通过LCD屏和PC超级终端进行显示，如果健康指标超出正常范围，系统会通过闪烁红色LED和蜂鸣器发声的方式进行报警。健康监测系统主要包括心率和体温传感器模块，嵌入式处理器模块，LCD屏和PC超级终端，以及LED灯和蜂鸣器模块，系统总体架构如图1所示。

图1 健康监测系统总体架构框图

1.1 心率测量模块

此模块包含一个放置于指尖下的光学感应单元和对PPG信号进行滤波和放大从而均衡电压水平的信号调理单元，信号之后再由STM32F103处理后显示为心率。完整的心率传感器模块电路如图2所示。此传感器模块包含一个光学传感器和信号调理电路，详细构成见图2。

图2 心率传感器模块电路图

心率传感器前端TCRT5000是一个反射式光学传感器，由一个红外LED和一个光电三极管封装在一起构成，可将环境光影响降至最低。

光电三极管TCRT5000集电极电压Vsen的变化正比于心率，叠加在周期性PPG波形的较大支流成分上的微弱脉动交流成分与心率也是同步的[1]。

来自传感器的集电极电压Vsen的PPG信号必需要进行滤波以消除较大的直流成分，从而使心跳脉动以期望的0.72～2.34Hz的频率范围进行传递。调理电路同时考虑到了不期望的50Hz交流市电和可能窜入的其他无关谐波的影响。心跳信号非常微弱需要进行放大，放大的信号送入信号比较电路，并转换为便于计数的方波信号[2]。

滤波功能是通过一个带通滤波器实现的，由一个被动高通滤波器和一个主动低通滤波器组成。滤波器之间是隔离的，从而使得高频噪声在有效的AC信号被放大之前就被过滤干净。被动高通滤波器的截止频率为0.72Hz，根据fch=0.72Hz以及C=4.7μF,根据公式(1)可计算得到R=47kΩ。

(1)

主动低通滤波器可提供101倍的增益，其截止频率fc为2.34Hz。将fc=2.34Hz和C1=100nF代入公式(2)，可得到R2=680kΩ，再将R2代入公式(3)，可得R1=6.8kΩ。

(2)

(3)

电压比较器单元的阈值电压VTh设置为2.5V，在R3=10kΩ和VS=5V的条件下，根据公式(4)得到R4应设置为10kΩ。

(4)

信号调理模块用于对PPG脉冲进行滤波、放大和整形，消除任何可能传递到微控制器单元的噪声信号，从而生成正确无误的结果。

1.2 体温测量传感器模块

指尖体温测量的电路图如图3所示。温度采集传感器LM35是一款输出电压正比于摄氏温度的精密温度IC，温度测量范围为-55℃到150℃。此传感器成本低，自发热小，可工作在4-30V之间，并具有低输出阻抗，从而使其可直接连接到信号调理单元的运放输入端[3]。

图3 体温传感器模块电路图

温度传感器的信号调理单元主要由一款运算放大器μA741构成。μA741是作为同相放大器使用的，用于放大LM35传感器的输出，同时附有噪声消除组件。旁路电容向模拟电路部分提供局部的低阻抗电源，从而减少从运放器和电源管脚传输到电路的耦合噪声。

1.3 嵌入式处理器模块

系统中所用微处理器模块为ST Microelectronics公司的STM32 Nucleo-6开发板。开发板搭载STM32F103微处理器，STM32系列这是一款意法半导体公司开发基于Arm Cortex-M内核的32位微控制器，具备高性能、高实时性、数字信号处理、低功耗、低电压、连接性丰富等特性。嵌入式开发工具选用ECLIPSE KEPLER 4.3 IDE开发平台，可高效完成嵌入式C代码的编译、调试和执行。嵌入式处理器STM32F103的系统架构如图4所示。

图4 STM32F103嵌入式处理器系统架构

2 实验设计和流程

测量时病人被要求将其手指放置在心率传感器模块的光电传感器TCRT5000上，并复位STM32F103进行数据采集。当指尖放到传感器上时，指尖内血夜的容量波动会引起反射光束密度的变化，这种密度变化与心率是一致的。在心室收缩阶段，手指动脉的血液容量增加，导致更少的光线被反射回光电三极管，从而使光电三极管的电导率降低，同时集电极电流降低，而集电极电压升高。类似的，当手指动脉中的血液容量减少时，到达光电三极管的反射光线增加，从而引起集电极电流增加而集电极电压降低。传感器前端的信号在经信号调理电路后传输到STM32嵌入式处理器的内置ADC电路，ADC电路将模拟信号进一步转换为数字脉冲信号。嵌入式处理器记录数字脉冲信号每分钟出现的次数即心率值，并实时显示在LCD屏和PC超级终端上。

心率测量完之后，病人需要按压LM35体温传感器，同时传感器模块连接到ADC的输入端。传感器的输出信号经放大后由ADC进行数字化，然后处理器再对体温数据进行校准和显示。如果任一或两个健康指标都不在正常范围内，蜂鸣器和红色LED灯就会开启。整个过程的完整流程图如图5所示。

图5 嵌入式控制系统软件流程图

3 结果与分析

本文对健康监测系统所测数据与传统检查方式进行了对比验证。心率对比检测对象为55名志愿者，包括35名男性和20名女性，年龄在20到52岁之间。两种检测方式对不同性别志愿者采集数据比较对照结果如图6(a)和6(b)所示，图6(c)显示了男性和女性志愿者平均心率的结果。体温对比检测对象为10名志愿者，包括7名男性和3名女性，两种检测方式的比较对照结果如图6(d)所示。

图6 健康监测系统测量结果分析图

上述数据与相关文献论述是一致的[4]，即成年人正常的心率在每分钟60-100之间。实验发现女性心率高于男性，详见图6(c)。这可能是由于女性本身及其心脏尺寸要比同龄的男性小，所以心脏需要泵送更快以使血液能经过人体循环更多次。静止心率随年龄的变化不明显，只在运动时或运动冷却之后有明显区别。

人体温度的典型值为36℃。但是体表温度在身体不同部位不一样，典型的区间为32-37℃，这是因为从指尖测量到的皮肤温度依赖于环境温度，本次检测测量到的体温范围为35-37℃。发烧时人体对某些疾病会产生应激反应，免疫系统会提高身体温度来抵御疾病，所以透过体温变化可以洞察到健康状况变化。

4 结语

本文设计了一种便携式低功耗、低成本高精度的健康监测系统。为验证健康监测系统的准确性和有效性，对本系统所测心率和体温数据与常规检测方式进行了对比研究，通过对多名志愿者进行检测对比，发现开发的健康监测系统所测结果与传统检测方式是高度一致的，充分证明了本系统对心率和体温两项健康指标的检测是高度准确和可靠的。