基于STM32W的老人心率實(shí)時(shí)監(jiān)測及跌倒檢測系統(tǒng)

摘要：為了有效地解決獨(dú)居老人由于突發(fā)性病癥而得不到及時(shí)救治的問題，本系統(tǒng)以STM32W108無線射頻芯片為核心處理器，提出了的一種心率實(shí)時(shí)監(jiān)測和跌倒檢測的解決方案。該系統(tǒng)利用ECG信號(hào)中的QRS波提取心率，同時(shí)分析三軸加速度傳感器的信號(hào)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化(SV M、DSVM)和姿態(tài)特征變化(姿態(tài)角)判斷是否跌倒。該設(shè)備通過模擬測試證明了其可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵字：ECG心率檢測；QRS波；三軸加速度傳感器；跌倒檢測算法；ZigBee；STM32W

    在面向遠(yuǎn)程醫(yī)療和社區(qū)醫(yī)療信息化的無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)總體研究如圖1所示的基礎(chǔ)上，本文以STM32W108無線射頻為核心MCU，提出了一種可
以老人實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件濾波的方法提取ECG信號(hào)中的QRS波，可實(shí)時(shí)分析心率；通過分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(SVM和DSVM)和姿態(tài)角變化判斷跌倒?fàn)顟B(tài)。最后通過模擬測試證明了該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 STM32W無線射頻芯片介紹
    STM32W108是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的完全集成的系統(tǒng)級(jí)芯片，符合IEEE802．15．4的標(biāo)準(zhǔn)，與目前其他的2．4GHz SoC芯片最大的區(qū)別在于：一、保持低功耗的基礎(chǔ)上，采用了32位ARMCortex—M3內(nèi)核，處理能力強(qiáng)；二、芯片內(nèi)部帶有功率放大器(PA)，發(fā)射功率可以達(dá)到7dBm，無需功放就可獲得較大的通信距離；三、芯片內(nèi)部固化了ZigBee協(xié)議棧，開發(fā)簡單。在該可課題的應(yīng)用中，我們使用的是STM32W108 CBU61(內(nèi)嵌ZigBee協(xié)議棧)，128kB的Flash存儲(chǔ)器。
1．2 ECG心率檢測原理
    心率的檢測可以從很多方面獲得，如：通過分析血壓的壓動(dòng)信號(hào)；通過分析血氧脈搏波信號(hào)；通過分析ECG(Electrocardiogram)。考慮到設(shè)備的便宜性，我們采用的是胸部單導(dǎo)聯(lián)式的ECG采集原理，采用被測試人的右胸和腹部作為兩個(gè)電極信號(hào)輸入(由于當(dāng)前設(shè)計(jì)只是針對(duì)心率的采集，故不需要參考電極)。一個(gè)完整周期的理想ECG信號(hào)如圖2所示。

    如圖所示，QRS波群巾的R處波峰，代表了電脈沖在心房之間的傳輸，它的典型值是在1mV左右，是ECG信號(hào)中幅值最大的信號(hào)。在該課題中，心率的檢測就是利用QRS波這一特點(diǎn)，將處理后的ECG信號(hào)通過QRS檢波電路輸出R波的脈沖信號(hào)，利用STM32W芯片端口的輸入捕獲功能，即可算法心率值。ECC信號(hào)采集流程如圖3所示。

1．3 跌倒檢測原理
    人體跌倒是南于身體不自主失去平衡的行為，在跌倒的瞬間，人體的重力、加速度、位移和姿態(tài)等相關(guān)量都會(huì)發(fā)生變化。由于本課題中的老人行動(dòng)比較的單一簡單，所以我們利用單一的三軸加速度傳感器足以檢測出跌倒的狀態(tài)。我們通過分析加速度的瞬態(tài)變化去判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后根據(jù)姿態(tài)角變化去判斷人體的姿態(tài)特征，綜合兩者因素得出是否跌倒。
    *速度瞬態(tài)變化
    人體加速度向量幅值SVM和微分加速度幅值的絕對(duì)平均值DSVM是區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參量。SVM通過計(jì)算加速度幅度表征人體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其值越大表明運(yùn)動(dòng)越劇烈。其定義為
   
    DSVM通過計(jì)算SVM的微分絕對(duì)值的時(shí)間平均表征人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的劇烈程度，其值越大表明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化越劇烈。其定義為：
    在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下考察SVM和DSVM，可監(jiān)測人體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化強(qiáng)度。
    *姿態(tài)角判斷
    在三維中間中，我們將人體沒想成一個(gè)方塊，利用三軸加速度和重力的關(guān)系，我們可以得到三個(gè)姿態(tài)角ρ、θ和φ，如圖4所示。通過判斷姿態(tài)角的變化，得出身體的姿態(tài)變化。
   
   
    其中：ρ是X軸與水平面間的夾角；θ是Y軸與水平面之間的夾角；φ是Z軸與重力加速度方向間的夾角。

1．4 硬件組成和設(shè)計(jì)
    考慮到?jīng)]備的便攜性，我們采用腰掛式，具體的實(shí)現(xiàn)方案如下：采用Li-ion電池供電，由于系統(tǒng)的電源是3．3 V，而Li電池的電池電壓范圍為2．5V-4．2 V，所以方案采用TI的TPS63031DC—DC升降壓芯片。
    *STM32W芯片采用系統(tǒng)的3．3 V作為主電源，內(nèi)核和存儲(chǔ)區(qū)域的電源有芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓器提供；外部時(shí)鐘源為24MHz高頻晶體振蕩器和32．768kHz低頻晶體振蕩器；RF使用的是陶瓷天線。
    *ECG信號(hào)采集采用了織物式電極，兩處電極分別位于被測者的右胸和腹部；電極輸入前端有ESD保護(hù)，輸入阻抗匹配；心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片選用AT24C02，2kB的e2PROM。
    *三軸加速度傳感器采用的是ADI公司數(shù)字式傳感器ADXL345，超低功耗，分辨率可達(dá)到3．9mg／LSB，能夠測量不到1°的傾斜角變化；I2C通信方式。
    *采用1．1寸的OLED屏幕顯示系統(tǒng)的狀態(tài)信息，三個(gè)功能鍵和一個(gè)電源按鍵。

2 軟件設(shè)計(jì)
    STM32W的開發(fā)是基于EmberZNet協(xié)議棧的，它是ST公司為用戶提供的開發(fā)包，內(nèi)部包含了豐富的API函數(shù)，用戶只需調(diào)用API即可完成相關(guān)功能。EmberZNet應(yīng)用程序類似于一個(gè)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)處理所有的模塊程序都是以任務(wù)調(diào)度的形式完成，即：監(jiān)控任務(wù)(Housekeeping Tasks)。系統(tǒng)主要的任務(wù)有：網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)和處理器維護(hù)任務(wù)，后者包括功能按鍵采集任務(wù)、心率檢測和備份曲線任務(wù)、三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)及跌倒算法任務(wù)。
2．1 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)
    應(yīng)用程序中負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性的任務(wù)有：檢測網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示，設(shè)備開機(jī)工作，在完成初始化以后，必須要加入到既定的家庭網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)用emberStartScan函數(shù)完成信道掃描和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)，調(diào)用emberScanCompleteHandler函數(shù)查看掃描的成功與否，調(diào)用mberNetworkFoundHandler查看掃描結(jié)果。在加入網(wǎng)絡(luò)之前，需要手動(dòng)選擇自己家庭的PAN ID。配置相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，然后調(diào)用emberJoinNetwork函數(shù)加入到網(wǎng)絡(luò)。
    在加入到網(wǎng)絡(luò)以后，作為移動(dòng)端設(shè)備的E0是不需要綁定路由的，它必需通過周期性的輪詢(定義為5s)與父節(jié)點(diǎn)保持聯(lián)系，確保自己“在線”。如果周期性的輪詢丟失聯(lián)系，要重新加入網(wǎng)絡(luò)，調(diào)用emberRejoinNetwork函數(shù)。如圖5所示，E0到協(xié)調(diào)器的傳輸路徑可以是1、2或3。

2．2 處理器維護(hù)任務(wù)
    在STM32W108的協(xié)議棧中，所有的應(yīng)用程序都要求的唯一的任務(wù)要運(yùn)行在這一個(gè)平臺(tái)上。通過周期性的調(diào)用emberTick函數(shù)，處理很多從最近一次調(diào)用emberTick函數(shù)開始收集的任務(wù)。
    *功能按鍵采集任務(wù)
    設(shè)備有四個(gè)按鍵，一個(gè)電源鍵，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)及鎖鍵功能，三個(gè)功能鍵，負(fù)責(zé)系統(tǒng)相關(guān)配置。
    *心率檢測和備份曲線任務(wù)
    心率的實(shí)時(shí)監(jiān)測是利用STM32W定時(shí)器捕獲中斷來完成的，利用中斷來啟動(dòng)心率檢測的任務(wù)，算出即時(shí)的心率，并且完成對(duì)異常值報(bào)警。將1min內(nèi)的記錄值(60-120個(gè))壓縮成10個(gè)，每小時(shí)存儲(chǔ)60個(gè)，每天存儲(chǔ)1440個(gè)，按照時(shí)間順序存儲(chǔ)在2 kB的e2PROM中。
    *三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)
    數(shù)據(jù)采集的頻率設(shè)定為100Hz，每采集完2S的數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)跌倒算法任務(wù)。
    *跌倒算法任務(wù)
    首先判斷各個(gè)方向加速度值是否大于預(yù)設(shè)閥值，然后根據(jù)公司(1) (2)計(jì)算出SVM、DSVM。當(dāng)?shù)拱l(fā)生時(shí)，SVM會(huì)明顯增大，而且持續(xù)時(shí)間較長，DSVM明顯增大，當(dāng)峰值超過預(yù)設(shè)閥值(試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為0．35g／s)時(shí)，則認(rèn)為人體有跌倒傾向。如果差值明顯，就斷定為跌倒；如果不明顯，根據(jù)公式(3) (4) (5)判斷姿態(tài)角的變化，如果姿態(tài)角發(fā)生變化，也斷定為跌倒。具體算法流程圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試
    為了驗(yàn)證設(shè)備的實(shí)用可靠性，我們要進(jìn)行相關(guān)的測試，測試項(xiàng)目包括：系統(tǒng)功耗，即：系統(tǒng)正常工作時(shí)間(900mAh電池供電)；心率測試的實(shí)時(shí)性；跌倒報(bào)警的實(shí)時(shí)性；網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃浴?br />     為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)心率測試的實(shí)時(shí)性，我們運(yùn)動(dòng)加快心跳的測試。為了方便測試，我們將每分鐘的心率數(shù)據(jù)壓縮成50個(gè)，即時(shí)發(fā)送給智能終端，通過智能終端的如下表1分析可以很明顯的看出心率的變化。

    系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可以分為主動(dòng)傳輸和被動(dòng)傳輸，主動(dòng)傳輸主要是用于發(fā)送報(bào)警信息，被動(dòng)傳輸是智能終端訪問終端上的數(shù)據(jù)，每天都會(huì)將心率數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端上進(jìn)行分析。為了方便測試，被動(dòng)傳輸定義為1h。

4 結(jié)束語
    在該課題研究中，完成了心率的檢測和數(shù)據(jù)記錄，同時(shí)提供了跌倒報(bào)警，為遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)“空巢老人”的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。記錄心率的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)醫(yī)生分析病理有很大的幫助。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于選用了處理功能強(qiáng)大的STM32W無線射頻芯片，采用了相對(duì)復(fù)雜但是精確的算法，可以準(zhǔn)確的分析出突發(fā)性的事件(心率異常、跌倒)。以本系統(tǒng)為模型，可以設(shè)計(jì)對(duì)其他體征參數(shù)(如：血壓、血脂、血糖、呼吸等)的檢測系統(tǒng)，建立完整的健康檔案，對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)的發(fā)展具有實(shí)用意義。