秦秀真，汪豐，周平，徐海晶，

東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院，南京，210096

0 引言

隨著我國社會人口結構的老齡化，預期到2030年老年人家庭的比例將達到90%，老年人家庭將空巢化。由于老年人的機體會隨著年齡的增長而發(fā)生變化，導致老年人突發(fā)性心臟疾病和意外跌倒的事故會越來越多。若能對老年人遠程監(jiān)護，實現(xiàn)突發(fā)事件報警，醫(yī)護人員實施及時搶救，則會減少老年人意外事故的發(fā)生[1]。

本文設計的空巢老年人實時監(jiān)護終端，采用織物式心電電極和三維加速度傳感器，并支持藍牙無線通信。當監(jiān)護終端檢測到老年人發(fā)生心率異常或跌倒時，則會通過無線藍牙技術實現(xiàn)報警，實施及時救助，避免意外狀況發(fā)生。

1 系統(tǒng)的結構設計

本系統(tǒng)基于T I公司的超低功耗1 6 b i t 的MSP430FG4618為核心，采用電子織物電極的心電胸帶，設計了老年人監(jiān)護終端。該終端可以將檢測出的人體心電信號傳輸給心電信號采集單元[2]。在結構上，此終端集成了電源模塊、信號采集模塊、信號處理模塊和藍牙通訊模塊。其結構和實物如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的結構Fig.1 The structure of the system

圖2 監(jiān)護終端電路實物圖Fig.2 Implementation for the monitoring terminal

1.1 信號采集模塊

在傳感器的選擇上，我們選取電子織物電極獲取心電信號，這是心電采集的一大特點?？梢岳斓膶щ娙菪钥椢锢锏膶щ娿y，具有與萊卡一樣的舒展。這種92%尼龍和8%的多拉斯坦（Dorlastan）織物上鍍了銀，提供了在兩個方向伸展的獨特能力，利用這種鍍銀電極和人體之間的容性耦合來實現(xiàn)信號的檢測。

三軸加速度傳感器裝置里采用LIS302DL芯片，是意法半導體推出的三軸加速傳感器芯片。LIS302DL小型低功耗是MEMS三軸加速度計。包括有傳感元件和能通過I2C/SPI串行接口提供測量加速度的IC接口,量程范圍是-8 g～-2 g；2 g～8 g，具有線性的數(shù)字輸出，數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz或400 Hz。

1.2 處理器單元

系統(tǒng)的監(jiān)護終端選擇TI公司的超低功耗16bit單片機MSP430FG4618作為控制與計算單元，外設包含了高性能的12bit的A/D轉(zhuǎn)換器、高速的SPI總線和USART接口等。片內(nèi)總線具有DMA通道，從A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)可以直接送往各總線接口而不需要CPU干預，從而簡化了系統(tǒng)的硬件電路，大大降低了系統(tǒng)的成本。

1.3 數(shù)據(jù)存儲單元

在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時，為了分析老年人的心率失常，需要將傳感器的原始數(shù)據(jù)存儲分析。但MSP430FG4618的RAM只有8KB，因此我們采用MACRONIX公司生產(chǎn)的型號MX25L1605DM1I-12G的Flash芯片對微處理器進行RAM擴展，單片機通過內(nèi)部集成的USCIA模塊的SPI模式與Flash芯片通訊[2]。

1.4 無線通訊模塊

無線通訊模塊采用藍牙模塊IDS-BM4A實現(xiàn)。MSP430通過內(nèi)部集成的UART接口實現(xiàn)與藍牙模塊通訊。利用藍牙通訊模塊完成與手機等網(wǎng)關設備的信息的交互。

2 軟件設計

軟件系統(tǒng)主要分為主程序和中斷處理程序兩部分；按功能又可以分為主程序、信號采集程序、心率檢測程序、跌倒檢測程序和通訊程序。整個軟件利用MSP430FG4618的IAR編譯器，采用分層結構編寫。

2.1 主程序

主程序模塊主要是將各個模塊進行協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交互，完成各種配置寄存器的初始化。當監(jiān)護終端上電或復位后，主程序完成參數(shù)的初始化功能，開啟中斷，進入主循環(huán)。在循環(huán)的過程中，主要完成對采集的心電信號數(shù)字濾波、去基線漂移以及心率計算，若檢測到心率異常，則進行報警。利用三軸加速度傳感器對人體活動產(chǎn)生的加速度信號進行采集，然后由MSP430的微處理器對信號進行預處理，采用中值濾波器濾除加速度采集裝置采集值的噪聲。若檢測到跌倒，則啟動無線藍牙報警。

監(jiān)護終端的中斷包括心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和定時器中斷。定時器Timer_A控制系統(tǒng)的5s的心電數(shù)據(jù)采集，若5s沒有完成數(shù)據(jù)處理，則強制系統(tǒng)回到循環(huán)起始位置，定時器A是通過軟件設置其寄存器完成上述功能，當計時寄存器計數(shù)滿時，就會產(chǎn)生中斷控制心電信號的采集。

2.2 信號的獲取

A/D轉(zhuǎn)換接口是數(shù)據(jù)采集前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。本設計中A/D轉(zhuǎn)換部分軟件實現(xiàn)心電模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便后面進一步的分析處理。通過MSP430提供的A/D部分的寄存器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作方式，有定時器A完成采樣頻率的設定，定時器A是通過軟件設置其寄存器完成上述功能。當計時寄存器計數(shù)滿時，就會產(chǎn)生中斷，在中斷中，先停止A/D的轉(zhuǎn)換，讀取數(shù)據(jù)后啟動A/D轉(zhuǎn)換，然后再等待下一次中斷的到來。

由于加速度信號獲取采用三軸加速度傳感器LIS302DL，直接提供數(shù)字信號，我們通過傳感器提供的I2C/SPI串行接口，直接讀取我們所需要的三軸加速度信號。

2.3 心率和跌倒的檢測

我們所獲得的心電信號，首先進行平滑濾波，即去除基線漂移、陷波、R波檢測以及進行心率檢測。當檢測到心率失常（過低或者過高）時，就啟動藍牙無線傳輸發(fā)送給PDA端，以進行及時的救助[1]。

加速度信號是采用50 Hz采樣加速度計的信號得到。由于人體活動產(chǎn)生的加速度信號頻率主要是處在0～20 Hz之間，跟重力加速度分量完全疊加在一起[3]，故我們通過20 Hz的3階低通濾波器濾除與人體活動無關的干擾信號。然后，利用3個軸向加速度信號的大小，采用閾值判別法以及與三個方向的夾角來進行跌倒檢測。不同跌倒類型的信號在波形上存在很大的相似度，在跌倒發(fā)生的瞬間都有一段非常大的尖脈沖出現(xiàn)，跌倒動作在1 s的時間內(nèi)完成。基于此，選擇特征值其中，A、B、C分別為X、Y、Z軸的原始加速度經(jīng)過中值濾波后的值[3,4]。綜合分析測得的多組數(shù)據(jù)，設定閾值為e=0.831，當e＜0.831時，初步判定有可能發(fā)生跌倒。但是，此閾值的觸發(fā)也有可能是突然站起或者轉(zhuǎn)身等動作引起的，應對選取閾值觸發(fā)后的10 s的數(shù)據(jù)進行進一步觀察，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化大小，進一步判斷是否發(fā)生跌倒[5-6]。

2.4 無線藍牙通訊

監(jiān)護終端的藍牙通訊功能采用藍牙模塊IDSBM4A。單片機通過內(nèi)部集成的UART接口與藍牙模塊通訊，監(jiān)護終端以中斷方式將心率或跌倒的報警信號經(jīng)藍牙無線傳輸?shù)絇DA端。

通過軟件設置MSP430內(nèi)部的特殊功能寄存器U1CTL |= CHAR，配置為不校驗，8bit數(shù)據(jù)傳送，U1RCTL默認設置，所有接收到的信息都是為數(shù)據(jù)。設置UART的工作模式，采取中斷方式向PDA端發(fā)送報警信息。

3 結果

本設計完成心率的檢測，提供異常心率和跌倒報警，為遠程監(jiān)護系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎，同時實現(xiàn)對空巢老年人的遠程監(jiān)護。當檢測到發(fā)生突發(fā)性事件時，實現(xiàn)報警，醫(yī)護人員實施及時的搶救，則會減少老年人意外事故的發(fā)生。心率的檢測是基于織物式電極，避免了傳感器與人體的直接接觸。當檢測到跌倒或者心率異常時，系統(tǒng)啟動無線藍牙通訊，向遠程PDA端發(fā)出報警，有效處理老人意外跌倒或心臟病突發(fā)等緊急情況。

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