石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進(jìn)

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 北京精密光電測量儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

基于STM8的士兵心率呼吸率監(jiān)測預(yù)警裝置設(shè)計*

石 聰， 劉小華， 孔令琴， 董立泉， 劉 明， 趙躍進(jìn)

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 北京精密光電測量儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

本文闡述了一種基于STM8的士兵心率呼吸率監(jiān)測預(yù)警裝置的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法。裝置由脈搏波傳感器、信號預(yù)處理電路、微處理器、電源模塊、報警模塊組成。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:設(shè)計能進(jìn)行長時間的心率呼吸率低負(fù)荷連續(xù)監(jiān)測，適用于士兵訓(xùn)練時的心臟功能和肺功能的監(jiān)測，能很好地實(shí)現(xiàn)其預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故發(fā)生，具有較好的實(shí)用價值，有望在未來的士兵訓(xùn)練場上發(fā)揮重要作用。

士兵訓(xùn)練； 光電容積脈搏波； 心率； 呼吸率

0 引 言

在軍事訓(xùn)練中，常因士兵達(dá)到生理極限而發(fā)生訓(xùn)練事故,而士兵體能的訓(xùn)練與心臟功能和肺功能的關(guān)系十分密切。士兵健康狀態(tài)評定的常用指標(biāo)有心率、呼吸率等。經(jīng)過醫(yī)學(xué)分析,訓(xùn)練事故發(fā)生前士兵的心率呼吸率等均會出現(xiàn)異常[1]。若能實(shí)時進(jìn)行心率和呼吸率檢測，在發(fā)生訓(xùn)練事故之前及時終止訓(xùn)練，將大大降低軍事訓(xùn)練事故的發(fā)生率。當(dāng)前，西方各發(fā)達(dá)國家都在積極開展士兵生命體征監(jiān)測裝置的研究工作，如美國的“地面勇士”、英國的“未來戰(zhàn)斗士兵系統(tǒng)”、俄羅斯的“巴爾米察”等[2～4]。我國如鄧親凱等人研制的單兵狀態(tài)監(jiān)測器，用于戰(zhàn)場傷員搜救等[5]。

但由于上述國內(nèi)外研究都是用于戰(zhàn)場上士兵的生命體征信號監(jiān)測，且裝置比較復(fù)雜。在士兵日常訓(xùn)練時難以完全適用。我軍長期缺乏一種可以預(yù)防訓(xùn)練事故發(fā)生的預(yù)警裝置，在此背景下，本文在前期研究的基礎(chǔ)上嘗試設(shè)計了集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的具有實(shí)際應(yīng)用價值的士兵訓(xùn)練時心率呼吸率實(shí)時監(jiān)測預(yù)警裝置。實(shí)現(xiàn)了基于光電容積脈搏波的心率、呼吸頻率的無創(chuàng)快速準(zhǔn)確檢測。提出的融合算法提高了測量結(jié)果的可靠性。

本裝置適用于士兵訓(xùn)練時的心臟功能和肺功能的監(jiān)測，能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故的發(fā)生，具有較好的實(shí)用價值，有望在未來的士兵訓(xùn)練場上發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示。

圖1 士兵心率呼吸率檢測預(yù)警裝置示意圖

1.1 微處理器

本裝置采用了STM8S003F3單片機(jī)作為微處理器，其具有低功耗、低成本、可靠性較高等多方面的優(yōu)勢[6]。

1.2 脈搏波傳感器

目前脈搏波傳感器主要是基于光電容積描記技術(shù)(PPG)設(shè)計而成，其主要有兩種設(shè)計方式，透射式，即發(fā)光二極管與探測器位于手指兩側(cè)；反射式，即發(fā)光二極管與探測器位于指端同一側(cè)。傳統(tǒng)脈搏波傳感器多采用透射式測量方法。本文采用了反射式測量方法對脈搏波傳感器進(jìn)行了選型。其電路示意圖如圖2所示。傳感器的4，5腳為電源腳。2腳為2個LED的公共負(fù)極，通過調(diào)節(jié)1和3管腳上的電阻值可以調(diào)節(jié)傳感器的發(fā)光功率。管腳6為原始的脈搏波信號輸出端。

圖2 心率傳感器電路示意圖

相比傳統(tǒng)的傳感器設(shè)計方法，本文采用的脈搏波傳感器主要有以下兩方面優(yōu)勢：1)體積小，便攜，提高了士兵佩戴本設(shè)計的舒適度。傳統(tǒng)的脈搏波獲取方法中，發(fā)光二極管和光電探測器是兩個分立的元器件，體積龐大。本設(shè)計中發(fā)光二極管和光電探測器被集成在一個只有4.1 mm×2 mm×1.05 mm的體積內(nèi)，解決了傳統(tǒng)的脈搏波獲取裝置體積龐大，不適用于士兵訓(xùn)練時佩戴的問題。2)反射式測量方式使得測量位置靈活。目前獲得脈搏波的途徑主要是透射式的脈搏波測量方式，測量時需要將裝置夾在手指或者耳朵上，透射式的測量方式很大程度上限制了脈搏波的測量位置。本設(shè)計中心率傳感器采用反射式的測量方式，測量位置只要有血液活動就可以獲得脈搏波，擴(kuò)展了脈搏波獲取位置，解決了透射式的脈搏波傳感器測量位置的局限性。3)570 nm更敏感波段選取。目前的脈搏波傳感器采用的是紅光或者紅外光，本設(shè)計中采用的是波長570 nm的綠光。4)抗環(huán)境噪聲。傳統(tǒng)的脈搏波傳感器對環(huán)境中的光線強(qiáng)度比較敏感，環(huán)境光對測量的精度影響巨大。為了適應(yīng)不同情況下的光照，本設(shè)計中傳感器內(nèi)部集成了一個nm級的環(huán)境光過濾器，可以幫助濾掉不想要的環(huán)境光，提高了信號的信噪比。5)功耗低,本設(shè)計中的傳感器的功耗非常低,極大地提高了續(xù)航能力。

1.3 信號預(yù)處理電路

圖3 信號預(yù)處理電路示意圖

如圖3所示，脈搏波傳感器的輸出信號是一個μA級的電流信號，為了便于后續(xù)處理，首先通過一個電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號?？紤]到脈搏波信號的低頻特性，電壓信號經(jīng)過一個RC低通濾波器濾出一些高頻的噪聲。然后再通過放大電路得到脈搏波信號。得到的脈搏波信號如圖4所示。為了便于計算心率和提高心率檢測的準(zhǔn)確性;設(shè)計中還將脈搏波信號整形為方波信號，通過方波信號和脈搏波信號計算心率值，提高了心率的準(zhǔn)確性。脈搏波波形整形輸出的方波信號,如圖5所示。

圖4 濾波放大輸出的脈搏波信號

圖5 脈搏波信號整形輸出的方波信號

1.4 報警模塊

當(dāng)微處理器監(jiān)測到士兵的身體出現(xiàn)異常時會觸發(fā)報警模塊，提示士兵停止訓(xùn)練。

報警模塊主要是通過一個KC—1206無源蜂鳴器及其驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)報警功能的?？梢酝ㄟ^調(diào)整輸入脈沖的頻率和限流電阻的阻值來控制蜂鳴器放出聲音的響亮程度。

1.5 電源模塊

設(shè)計中采用3.7 V鋰電池供電，由于系統(tǒng)中其他模塊選用的是3.3 V供電，所以供電模塊由充電模塊和穩(wěn)壓模塊兩部分組成。充電模塊選擇的是TP4056充電管理芯片，穩(wěn)壓模塊選擇的是SGM2019—3.3V穩(wěn)壓芯片。具體的電源模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路原理圖

圖7 士兵心率呼吸率檢測預(yù)警裝置工作的流程圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

士兵心率呼吸率檢測預(yù)警裝置工作的流程圖如圖7所示,主要包括：1)初始化ADC、UART、時鐘、I/O口、相應(yīng)的變量等。2)脈搏波信號的獲取、預(yù)處理、心率呼吸率的獲取。3)心率呼吸率出現(xiàn)異常時觸發(fā)報警模塊。

2.2 數(shù)字濾波

為了提高脈搏波信號的信噪比，使得測量結(jié)果能更加準(zhǔn)確地反映士兵的身體狀況，本文算法采用了數(shù)字濾波。數(shù)字濾波采用的是平均濾波的方法，將采集到的信號值與之前存儲的兩個信號值進(jìn)行平均值計算，計算結(jié)果作為新的采樣值存儲到數(shù)據(jù)緩沖空間內(nèi)[7]。通過平均值濾波可以去掉一些隨機(jī)干擾噪聲，得到的脈搏波波形更加平滑，減小了測量誤差。

2.3 心率測量

心臟跳動一次脈搏波信號出現(xiàn)一個主峰，通過對主峰進(jìn)行計數(shù)即可得到心率值。設(shè)計中對脈搏波信號進(jìn)行特征提取，提取出t秒內(nèi)主峰出現(xiàn)的個數(shù)N，心率heartrate1計算如下

heartrate1=N×60/t

(1)

除此之外，設(shè)計中還以采樣率n提取脈搏波信號，通過提取t秒內(nèi)主峰的次數(shù)N以及第一個主峰n1和最后一個主峰的位置n2，然后通過式(2)得到心率heartrate2。

heartrate2=n×60×(N-1)/(n2-n1)

(2)

設(shè)計中將上述兩種心率測量方法相結(jié)合，將heartrate1和heartrate2進(jìn)行平均值計算作為最終的心率HR。

2.4 呼吸率測量

由于呼吸會引起血管的變化，血管變化就會引起通過血管檢測到的脈搏波信號發(fā)生變化。這種變化通常是頻率調(diào)制和幅度調(diào)制?；谠撛恚疚奶岢隽艘环N基于脈搏波峰值包絡(luò)線和竇性心律不齊的呼吸率檢測算法。

呼吸信號會對脈搏波信號進(jìn)行幅度調(diào)制，在脈搏波波形上通過脈搏波峰值的包絡(luò)線表現(xiàn)出來。通過峰值檢測，得到脈搏波信號峰值的包絡(luò)線，再對脈搏波峰值包絡(luò)線信號進(jìn)行峰值檢測和周期檢測即可以得到呼吸率值RR1。

呼吸信號對脈搏波信號進(jìn)行頻率調(diào)制表現(xiàn)在竇性心律不齊上。竇性心律不齊指的是呼吸時心率的變化。吸氣時，心率升高；呼氣時，心率降低。而實(shí)時心率的變化在脈搏波信號上表現(xiàn)為兩個相鄰脈搏波波峰之間間距的周期性變化。通過峰值檢測得到波峰位置，再通過相鄰波峰間距的變化規(guī)律即可以得到呼吸率RR2。

通過幅度調(diào)制和頻率調(diào)制，可以得到兩個呼吸率值RR1、RR2，設(shè)計中對兩個呼吸率RR1、RR2進(jìn)行平均值計算作為最終的呼吸率值RR。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對10名受測人員使用本設(shè)計進(jìn)行心率呼吸率測試，同時采用醫(yī)用指夾式血氧計(可同時測量心率及血氧飽和度)對受測人員進(jìn)行心率測試，并采用人工方法對受測人員進(jìn)行呼吸次數(shù)測試，測試結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本設(shè)計與醫(yī)用心率血氧計存在±3的誤差，考慮到實(shí)際應(yīng)用時，±3的誤差對本文的應(yīng)用帶來的影響是十分微弱的，完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用的。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：本文闡述的士兵心率呼吸率檢測及預(yù)警系統(tǒng)能正常監(jiān)測士兵的心率和呼吸率，在身體出現(xiàn)異常時，能夠及時報警，具有集成度高、易穿戴、低功耗、精度高的特點(diǎn)。此外，本文方法實(shí)現(xiàn)了基于光電容積脈搏波的呼吸頻率的無創(chuàng)快速準(zhǔn)確檢測；提出的融合算法提高了測量結(jié)果的可靠性。

本設(shè)計能進(jìn)行長時間的心率呼吸率低負(fù)荷連續(xù)監(jiān)測，適用于士兵訓(xùn)練時的心臟功能和肺功能的監(jiān)測，能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，避免訓(xùn)練事故發(fā)生，具有較好的實(shí)用價值，有望在未來的士兵訓(xùn)練場上發(fā)揮重要作用。

本設(shè)計只檢測了心率和呼吸率，還可以加入更多參數(shù)，如溫度、心率變異性、血氧飽和度等多參數(shù)來更精確地評估士兵的身體狀況。

[1] 陳長禮.論“心率監(jiān)測法”在警察體能鍛煉中的作用[J].軍事體育進(jìn)修學(xué)院學(xué)報,2006,25(2):117-119.

表1 心率和呼吸率測試結(jié)果對比

[2] 王雅靜.單兵系統(tǒng)生命參數(shù)檢測技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2009.

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Design of HR and RR monitoring and early warning device for soldiers based on STM8*

SHI Cong， LIU Xiao-hua， KONG Ling-qin， DONG Li-quan， LIU Ming， ZHAO Yue-jin

(Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instrument and Technology,School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Design and implementation method of a device for soldiers heart rate(HR)and respiratory rate(RR)monitoring based on STM8 are discussed.The device consists of pulse wave sensor,signal preprocessing circuit, microprocessor,power supply module, alarm module.After a lot of experimental verification，this design can carry out long time continuous monitoring HR and RR.The device can realize the early warning function very well,it has good practical value,and is expected to play an important role on future soldier training field.

soldiers training； photoplethysmography； heart rate(HR)； respiratory rate(RR)

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0090—04

2016—04—26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377109，61301190)

R 318

A

1000—9787(2017)04—0090—04

石 聰(1990-)，男 ，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯w征信號檢測。