摘? 要：隨著移動醫(yī)療的飛速發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)已成為個人日常心臟監(jiān)控的一個重要發(fā)展方向。文章針對穩(wěn)定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運(yùn)動信息等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ESP32的無線運(yùn)動傳感器節(jié)點(diǎn)裝置。該設(shè)計(jì)利用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時采集使用者心電信號，溫度傳感器LMT70測量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測使用者運(yùn)動信息。經(jīng)測試，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對人體信息實(shí)時監(jiān)測功能，測量誤差及傳輸延時均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明可滿足個人日常心電監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護(hù);ESP32;LMT70;Wi-Fi

中圖分類號：TH77? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0175-03

Abstract： With the rapid development of mobile medicine， ECG monitoring has become an important development direction of personal daily heart monitoring. Aiming at the problems of stably collecting and recording human ECG information， body surface temperature and motion information， a wireless motion sensor node device based on ESP32 is designed in this paper. In this design， the front-end analog chip ADS1292? is used to collect the user's ECG signal in real time， the temperature sensor LMT70 is used to measure the user's body surface temperature， and the， STP100M step counting module is used to detect the user's motion information. After testing， the device can realize the real-time monitoring function of human body information， both the measurement error and transmission delay meet the design requirements， which proves that it can meet the daily ECG monitoring of individuals.

Keywords： ECG monitoring; ESP32; LMT70; Wi-Fi

0? 引? 言

隨著全球人口數(shù)量的增長，老齡化趨勢愈加嚴(yán)重，心腦血管疾病已經(jīng)成為一種不可忽視的嚴(yán)重疾病[1，2]。為了避免身體出現(xiàn)不可逆的惡性循環(huán)，人們越來越意識到健身和有氧運(yùn)動對于生活的重要性。隨著健康人群的不斷增加，同時也會帶來運(yùn)動導(dǎo)致的意外事件越來越多，因此人們需要人體監(jiān)測設(shè)備實(shí)時對個體的心電信息、體表信息以及運(yùn)動信息進(jìn)行監(jiān)測[3，4]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)為：在不同的測試環(huán)境下，能穩(wěn)定采集和記錄設(shè)備使用者的心電信息、體表溫度、運(yùn)動信息，并實(shí)時發(fā)送到移動終端手機(jī)上，同時能夠?qū)崟r顯示使用者體溫、運(yùn)動步數(shù)、運(yùn)動距離、心電波形[5-7]。當(dāng)采集到使用者心電信號出現(xiàn)心律不齊時，發(fā)出蜂鳴器報警。

1.1? 主控器件選擇

選取ESP32作為主控制芯片模塊，該芯片支持Wi-Fi和藍(lán)牙雙模通信，外圍兼容低功耗硬件設(shè)計(jì)，深度睡眠模式下功耗僅為10 μA。主控器支持USB和外接3.7 V鋰電池兩種供電方式，可實(shí)現(xiàn)雙電源下自動切換電源功能，并支持USB和外接DC兩種充電方式。同時該芯片具有體積小，可靠性、功能性較強(qiáng)，可以滿足本系統(tǒng)處理大量數(shù)據(jù)的要求。

1.2? 傳感器選取

STP100M計(jì)步模塊具有高性能的計(jì)步器主控MCU和一個高靈敏度的G Sensor，結(jié)合高精度的3D計(jì)步算法，使其在任何方向都可以精確計(jì)步。相較于其他運(yùn)動傳感器具有小體積、低功耗，高精度等特點(diǎn)，可以滿足本系統(tǒng)運(yùn)動信息的測量要求。

1.3? 無線傳輸方式選取

Wi-Fi模塊采用標(biāo)準(zhǔn)802.11協(xié)議，工作頻段為2.4 GHz，所支持的速度最高達(dá)54 Mbps，通過互聯(lián)網(wǎng)連接上安裝訪問點(diǎn)來創(chuàng)建，傳輸距離大概為91.5米。支持Wi-Fi連接的設(shè)備可在熱點(diǎn)覆蓋的區(qū)域隨時聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多人同時連線，可以滿足本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

1.4? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

本系統(tǒng)主要包括ADS1292心電測試模塊、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M計(jì)步模塊、ESP32控制器、移動終端、電源、蜂鳴器等模塊組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

ADS1292心電測試模塊實(shí)時采集使用者的心電信號，LMT70溫度傳感器測量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測使用者運(yùn)動信息。ESP32控制器處理采集到的信號，并通過Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)到移動終端上顯示。

1.5? 信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用者攜帶無線傳感器節(jié)點(diǎn)，ADS1292心電測試模塊實(shí)時采集使用者的心電信號，LMT70溫度傳感器測量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測使用者運(yùn)動步數(shù)和運(yùn)動距離。ESP32控制器處理采集到的信號，確定心電波形中Q、R、S點(diǎn)，計(jì)算R、S兩點(diǎn)時間，分析計(jì)算使用者的心率，采集兩次心跳用時，計(jì)算其差值超過20%，即判定出現(xiàn)心律不齊，蜂鳴器報警。將采集到的信息通過Wi-Fi上傳數(shù)據(jù)到移動終端手機(jī)上，制作APP顯示標(biāo)注出Q、R、S點(diǎn)的心電波形、心率、體溫、運(yùn)動步數(shù)和運(yùn)動距離。

ADS1292心電測試模塊通過激勵產(chǎn)生電信，測量人體呼吸阻抗，設(shè)參考電壓為2.5 V，從而計(jì)算出實(shí)時的人體呼吸阻抗變化數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)時，易受到環(huán)境噪聲干擾，因此，我們對采集的出數(shù)據(jù)使用Matlab進(jìn)行前期的分析處理，得到了較為直觀的數(shù)據(jù)波型圖，從而選擇平滑濾波，并且使用簡易的分窗處理，快速獲得相應(yīng)的心電信號，通過分窗取樣分析法計(jì)算出心跳脈搏位置。

LMT70溫度傳感器使用二階曲線或三階曲線擬合參數(shù)，準(zhǔn)確度等同適用于人體溫度測量的有限溫度范圍查找表（LUT）中的準(zhǔn)確度，適用于10℃至110℃的三階方程式。也適合20 ℃至45 ℃的二階曲線，能提供較準(zhǔn)確的結(jié)果。

ResAVG=×ResADC

STP100M模塊轉(zhuǎn)換出人體步行步行過程中，三軸方向的單軸加速度變化的值，對采集的加速度正選波形，并產(chǎn)生周期性脈沖，主控芯片采用輪詢的方式檢測脈沖激勵，濾除雜波，累加有效脈沖計(jì)數(shù)值，從而計(jì)算出運(yùn)動步數(shù)，訪問模塊內(nèi)部的寄存器，獲取計(jì)算的步伐距離。

2? 核心部件電路設(shè)計(jì)

2.1? ESP32主控制器

選用ESP32主控制器，其CPU 頻率最高可達(dá)240 MHz，具有528 kB RAM，448 kB BootROM，及IIC、DAC、SPI等通用外設(shè)，可較好的發(fā)揮無線傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)主要包括ADS1292、LMT70溫度傳感器模塊、STP100M。

2.2? ADS1292心電測試模塊

選用ADS1292具有兩個低噪聲可編程增益放大器（PGA）和兩個高分辨率三角積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器器（ADC），集成了心電采集所需要的部件，方便設(shè)備小型化，最高速率可達(dá)125 SPS至8 kSPS，共模抑制比（CMRR）為-105 dB，完全滿足于采集心電信號的性能要求。呼吸檢測是使用了阻抗檢測的方法，使用了的32 KHz高頻方波輸入到人體，然后經(jīng)過電路濾波后可以計(jì)算出兩片電極之間的阻抗變化的大小。呼吸檢測和心電檢測使用的是同一電極，由于心電信號一般在100 Hz下，對于高頻的檢測呼吸的方波是可以通過ADS1292里面EMI電路濾掉的。方框2部分是右腿驅(qū)動電路，對于右腿驅(qū)動的作用，用于去除共模電壓，通過放大器反向放大之后輸入到人體，并且提供了一個電壓抬升，將測量電壓抬升到（AVDD+AVSS）/2左右，保證了輸入電壓是在芯片的檢測范圍內(nèi)。

2.3? LMT70溫度傳感器模塊

選用的LMT70是一款帶有輸出使能引腳的超小型，高精度，低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）模擬溫度傳感器LMT70幾乎適用于所有高精度，低功耗的經(jīng)濟(jì)高效型溫度感測應(yīng)用，多個LMT70可利用輸出使能引腳來共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）通道，從而簡化ADC校準(zhǔn)過程并降低精密溫度感測系統(tǒng)的LMT70還具有一個線性低阻抗輸出，支持與現(xiàn)成的微控制器（MCU）/ADC無縫連接.LMT70的熱耗散低于36 μW，這種超低自發(fā)熱特性支持其在寬溫度范圍內(nèi)保持高精度。且低電源電流可以減小到9.2 μA，大大延長了監(jiān)測時間。

2.4? STP100M計(jì)步模塊

選用STP100M計(jì)步模塊，使用了一個高性能的計(jì)步器主控MCU和一個高靈敏度的G Sensor，結(jié)合高精度的3D計(jì)步算法，使其在任何方向都可以精確計(jì)步。此模塊具有小體積、低功耗，高精度等特點(diǎn)。模塊提供了簡單的脈沖輸出接口。使其能很方便地應(yīng)用于3D計(jì)步器、USB多功能計(jì)步器、卡片計(jì)步器，以及各種嵌入計(jì)步功能的系統(tǒng)，其通訊協(xié)議如圖2所示。

2.5? 移動終端

移動終端選取Android系統(tǒng)手機(jī)，開發(fā)的APP軟件通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接控制器，取得各個傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算處理后，送給顯示器，可以直觀的觀察到心電信息、溫度、步數(shù)、距離等。采用這種顯示方案，可有效降低前端控制器的運(yùn)算量，充分發(fā)揮移動端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。

2.6? 關(guān)鍵電路驅(qū)動接口

ESP32主控制器主要功能是控制SDA1292模塊、STP100M模塊、LMT70模塊來獲取數(shù)據(jù)，最終通過Wi-Fi無線傳輸方式發(fā)送到手機(jī)APP上，STP100M模塊與ESP32之間通過IIC進(jìn)行通信，IIC接口是用來支持設(shè)備配置和傳輸數(shù)字主機(jī)處理器的頻率值或外部提供的時鐘。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)的總體工作流程如圖3所示，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，緊接著通過LTM70溫度傳感器采集人體的溫度信息，依次通過STP101M讀出人體的步數(shù)，最后讀取ADS1292心電傳感器、分析被測人員心電圖，將所收集到的數(shù)據(jù)打包通過Wi-Fi發(fā)送到監(jiān)護(hù)者的手機(jī)上。

本系統(tǒng)的實(shí)際測試結(jié)果如表1所示，完全能夠勝任對人體的心率、溫度、運(yùn)動步數(shù)以及運(yùn)動距離等信息的實(shí)時采集。從實(shí)時采集到的人員信息的心電信號可以看到，本設(shè)備均能夠有效地監(jiān)測當(dāng)時的心電信號和心率，并且測試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相近，精度符合日常生活需求。

針對目前心電監(jiān)測儀價格昂貴、抗干擾差、檢測范圍小等問題，本文設(shè)計(jì)了基于高精度實(shí)時心電監(jiān)測系統(tǒng)。本文針對穩(wěn)定采集和記錄人體的心電信息、體表溫度和運(yùn)動信息等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ESP32的無線運(yùn)動傳感器節(jié)點(diǎn)裝置。本設(shè)計(jì)利用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時采集使用者心電信號，溫度傳感器LMT70測量使用者體表溫度，STP100M計(jì)步模塊檢測使用者運(yùn)動信息。設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖4所示，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對人體信息實(shí)時監(jiān)測功能，測量誤差及傳輸延時均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全可以勝任個人日常心電監(jiān)測。

4? 結(jié)? 論

為了滿足人體日常實(shí)時對心電進(jìn)行監(jiān)護(hù)的需求，不但能夠即時的采集心電信息同時也需在發(fā)生突發(fā)狀況下立即發(fā)出警報，本文提出了一種基于ESP32控制器和多個人體監(jiān)測傳感器組成的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用前端模擬芯片ADS1292實(shí)時采集使用者心電信號，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對人體信息實(shí)時監(jiān)測功能，測量誤差精度高同時系統(tǒng)傳輸延時小，能夠用于人體日常心電監(jiān)護(hù)。同時，本設(shè)計(jì)也充分考慮到該裝置的成本、功耗以及小型化等應(yīng)用需求，并最終致力于轉(zhuǎn)化成一款用于人體日常心電監(jiān)護(hù)的電子產(chǎn)品。

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作者簡介：鄭凱（1989—），男，漢族，江蘇淮安人，講師，工學(xué)碩士，研究方向：電 子科學(xué)與技術(shù)。