基于无线体域网的运动数据采集仪设计论文

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　　摘 要：本文针对传感设备在无线体域网中的实际应用,设计了以 STM32F103C8T6 为核心处理器的运动数据采集仪。 该采集仪能实时捕捉用户心率、体温、步数等健康数据,并通过 LoRa 通讯实现数据上传,具备数据显示、数据存储、历史数 据访问等功能。此外,针对 ECG 信号中存在的基线漂移问题,本文采用中值滤波算法进行处理,该方法在保持 ECG 信号特征 的前提下,有效去除了基线漂移噪声。经测试,本运动数据采集仪在实际应用中运行稳定,各项性能均满足指标要求。

　　【Abstract】： Aiming at the practical application of sensor equipment in wireless body area network, this paper designs a sports data acquisition instrument with STM32F103C8T6 as the core processor. The acquisition instrument can capture the user's heart rate, body temperature, step count and other health data in real time, and realize data upload through LoRa communication, with data display, data storage, historical data access and other functions. In addition, in view of the baseline drift phenomenon in ECG signals, this paper uses median filtering algorithm to process, this method effectively removes the baseline drift noise while maintaining the characteristics of the ECG signal. After testing, this sports data acquisition system runs stably in practical applications, and all performances meet the index requirements.

　　【Key words】： wireless body area network;STM32F103C8T6;baseline drift

　　0 引言

　　近年来心血管疾病已经成为了中老年人日常生活中 的高发疾病,如何尽早发现并采取有效预防措施,已成 为了当下研究的热点 [1]。基于无线体域网的智能传感设 备的出现为解决以上问题提供了新思路。通过对人体体 温、心电信号等数据的实时监测,能有效检查出心律失 常、心肌梗塞等疾病,该方法已成为了发现心血管疾病 的有效手段,是当前医疗、保健、消费类电子等多个领 域的研究热点 [2]。

　　李立 [3] 等设计并实现了基于 LabVIEW 和 NI myDAQ 的智能心率仪,实现了心跳数据采集、数据存储、数据 显示、历史数据访问等功能。马勃檀 [4] 等设计了一种基 于 MK60DN512ZVLQ10 单片机的智能心率仪, 实现了 对心率值、血氧浓度的准确测量。王磊 [5] 等提出了一种自适应的小波阈值计算和选取方法,并将其应用在了心 电信号的处理过程中,有效降低了心电信号的噪声。庞 宇 [6] 等基于形态学理论,设计了两级形态学滤波器,提 高了信噪比,减小了均方差,有效去除了心电信号中的 基线漂移噪声。

　　1 系统总体设计

　　基于无线体域网的运动传感系统网络拓扑图如图 1 所示。系统由采集模块、LoRa 网关、服务端三部分组 成。其中采集模块为基于 LoRa 通讯的嵌入式设备, 负 责获取人体心率、体温、步数等健康数据并显示,当 检测到异常数据时发出告警 ;网关是系统数据交互的枢 纽, 负责汇聚 LoRa 网络中各结点的采样数据, 并通过 TCP 网络透传至服务端 ;服务端负责数据汇聚、数据存 储、客户端访问等功能。本文重点研究系统中数据采集模块的设计方法。

　　数据采集模块的系统总体框图如图 2 所示。整个系 统分为信号采集单元、嵌入式处理器单元、数据显示单 元和电源管理单元 4 个部分。数据采集单元通过 IIC 总 线、SPI 总线、UART 总线连接传感模块实现数据采样。 本设计中,选用 ADS1292 模拟前端芯片实时采集用户 的心电信号 ;通过 LMT70 采集用户体温信号 ;基于 MPU6050 陀螺仪采集的用户姿态变化信息计算出运动步数。获取到的健康数据经驱动隔离后传输到处理器单 元进行运算、分析并对处理结果进行界面显示与压缩编 码,以便本地存储和网络传输。此外,为了提高运动数 据采集模块的工作时长,系统增加了太阳能蓄电单元。

　　2 硬件设计

　　2.1 电源管理模块设计

　　采集模块能否长时间稳定运行,很大程度上取决于 电源供电的稳定性。为了降低电源热损耗、提高电源转 换效率, 系统选用 DC-DC 转换器方案实现分级降压, 并通过合理选择电源平面分割,提高供电效率。采集终 端数字电源部分的供电框图如图 3 所示。

        模块的输入电压 为 12V, 通过 DC 转换器转换至 5V, 为 SX1278 模块、 ADS1292 模块、LMT70 模块、MPU6050 模块、串口屏 模块供电,再将 5V 降压至 3.3V,为核心板模块供电。 

        2.2 核心处理器单元设计在本设计中选用基于ARM 32-bit Cortex ™ -M3 内核架 构的 STM32F103C8T6 作为采集模块的核心处理器。该处理 器性能优越、资源丰富,内部集成了系统运行所需的外围 接口,具体包括 ：实现与 LoRa 射频模块、ADS1292 心电检测模块通讯的 SPI 总线接口 ;实现与 LMT70 测 温模块、串口屏模块通讯的 UART 总线接口 ;实现与 MPU6050 陀螺仪模块通讯的 IIC 总线接口。核心处理 器单元原理图如图 4 所示。

　　2.3 数据通信模块设计

　　为了实现各采样结点与 LoRa 网关之间的数据交 互,便于数据汇聚,本设计中各结点板卡上都设计了 LoRa 通讯单元。该单元的射频芯片选用 SEMTECH 公 司提供的 SX1268 芯片,通讯距离远、穿透能力强、体 积小、功耗低,具备多种传输模式。在休眠模式下,工 作电流可低至 4uA,可有效延长无线运动传感结点的续 航能力。SX1278 射频电路如图 5 所示,为实现信号的 收发功能,除了无线收发芯片与 MCU 之间的接口电路 外,还有巴伦电路、电源滤波电路、芯片晶振电路等外 围电路。

　　3 软件设计

　　3.1 程序框架设计

　　运动数据采集仪的程序流程图如图 6 所示。程序启 动后,首先进入系统初始化,具体内容包括 ：启动看 门狗、启动定时器、开启系统中断、初始化系统参数、 初始化串口屏、初始化采样模块。然后进入程序主流 程,该流程是一个循环过程,具体包括定时采样、数据 显示、周期上送 3 个方面。当检测到采样周期到点后, MCU 分别通过 SPI 总线读取 ADS1292 采集的心电信 号,通过串口总线读取 LMT70 采集的体温信号,通过 IIC 总线读取 MPU6050 采集的姿态信息。通过将当前 姿态与上一状态比对,可以准确判断出用户是否存在迈 步过程以及精确计算迈步的幅度,从而实现计步的目的。单次采样结束后,采集仪将计算结果通过串口屏反 馈给用户,使其能及时获知当前自己的健康数据。

　　在基于无线体域网的运动传感系统中,采集结点需要周期性的将采集数据通过 LoRa 网关转发至服务端,便于数据管理与访问。数据交互的通讯协议如表 1 所示,该数据帧由起始符、命令单元、设备号、数据单元长度、数据单元和校验码、结束符组成。

　　3.2 基线漂移矫正

　　人在呼吸的时候会使得 ECG 信号的基准电压发生偏 移,导致测到的 ECG 信号出现上下浮动的基线漂移现 象, 如图 7 所示 [7]。该现象虽不影响 ECG 信号的特征, 但是波形起伏不定,难以在界面显示,影响数据识别。

　　本文选用中值滤波算法去除基线漂移噪声。基于该 算法思想,首先用 ECG 信号中某点领域内的中值替换 该点的数值,得到基线漂移噪声信号,如式(1)所示。

      然后用原始信号减去基线漂移噪声信号,便得到了滤波 后的 ECG 信号。如图 8 所示, 经中值滤波算法处理后 的 ECG 信号,基线漂移现象有了显著改善。



　　3.3 QRS 波检测

　　在基于无线体域网的运动数据采集系统中,采集结 点除了需要实时显示体温、心率、步数信息外,还需要 准确检测 ECG 信号中的 QRS 波并实时显示校正后的 ECG 波形 [8.9]。QRS 波为 ECG 中变化最剧烈的区域, 波峰集中在 10 ~ 20Hz,幅频特性显著区别于 T 波、P 波、基线漂移,本文采用差分阈值法检测 QRS 波形。 首先对信号进行一阶和二阶微分,如式(2)所示。

　　经离散化后得到如式(3)所示。
　　通过一阶微分计算出 ECG 信号中各点的斜率,通 过二阶微分得出斜率的变化率。式(2)和式(3)分别乘以相应系数得到如式(4)所示。

　　式(4) 反 映 了 ECG 信 号 斜 率 变 化 规 律。 由 于 ECG 信号中 R 波的上升沿和下降沿斜率与其他波的斜 率存在显著差异,为 ECG 斜率变化最大区域,当一阶 微分过零点时即为 R 波所在位置。所以,当 ECG 信号 中某段区域的斜率变化率大于设定阈值时, 即满足 条 件时,即可认为该波段是 QRS 复合波的一部分,从而 实现 QRS 波的检测。

　　4 功能测试

　　为了验证运动数据采集仪在无线运动传感系统中能 否稳定工作,各项性能是否能够达到指标要求。本设计 基于实际应用场景,搭建了无线运动传感系统的网络环 境,参照技术指标要求,对运动数据采集仪进行了综合 测试,如图 9 所示为现场测试场景。用户身上佩戴了运 动数据采集仪, 上电后通过 LoRa 网关转发实现与服务端之间的数据交互。

　　首先检测运动数据采集仪针对运动步数、行走距离 和体温的检测精度。测试人员穿戴好采集仪后,在一段 距离为 25m 的场地上反复行走,走完一个来回为一次 完整的测试。如表 2 所示为记录的现场测试数据,由 表 2 可知 6 次测试的运动距离相对误差均小于 10%, 运动步数相对误差均小于 5%,体温误差绝对值均小于 1℃,满足指标要求。

　　针对心率检测、QRS 间期检测、ECG 波形显示等功 能的验证环节中,本文首先采用标准信号源模拟 ECG 信 号作为运动数据采集仪的输入数据,检测结果显示采集 仪的输出结果与输入信号完全一致。然后分别通过医用 心率仪和运动数据采集仪对 6 个人进行了人体实测,以 医用心率仪的测试结果作为参考依据,测试数据如表 3 所示。对比两者测试结果可知,运动数据采集仪的心率 检测功能测量误差均小于等于 1%, QRS 间期检测功能 的测量误差均小于
 5%,满足指标要求。


　　5 结语

　　本文基于 STM32F103 处理器完成了运动数据采集仪的软硬件设计,实现了对用户心率、体温、步数、行 程等数据的准确测量,具备数据显示、数据存储、历 史数据访问等功能。并通过中值滤波算法对采集到的 ECG 信号进行了处理,有效滤除了基线漂移噪声,达 到了较好的 ECG 波形显示效果。此外,本采集仪作为 无线运动传感系统的数据采集终端, 具备 LoRa 组网功 能,可以通过 LoRa 网关转发实现与服务端的数据交 互。本采集仪具备体积小、质量轻、检测精度高、可扩 展性好等优点,可用于医疗保健、运动健身等多种场 合,具有广阔的应用前景。

　　参考文献

　　[1] 熊强强,尹建平,姚卫国,等.一种智能型腕带式心率检测仪的 设计与实现[J].国外电子测量技术,2020.39(2):88-92.
　　[2] 熊强强,尹建平,曾美琳,等.一种基于Lora无线局域网的智 能型医用点滴监护系统设计与实现[J].电子测量技术,2021.44 (2):10-14.
　　[3] 李立,范传良,胡增顺.基于LabVIEW和NI myDAQ的智能心 率仪设计[J]. 自动化仪表,2018.39(4):64-67+72.
　　[4] 马勃檀,丛秋梅.智能心率仪设计[J].国外电子测量技术,2019. 38(2):138-142.
　　[5] 王磊,孙玮,陈奕博,等.基于自适应小波阈值的心电信号降噪 方法[J].计算机工程与应用,2018.54(15):29-33.
　　[6] 庞宇,邓璐,林金朝,等.基于形态滤波的心电信号去除基线漂 移方法[J].物理学报,2014.63(9):428-433.
　　[7] 胡振原,刘澄玉,李建清.一种可消除运动伪迹的可穿戴心电 监测系统[J].电子测量技术,2020.43(15):72-78.
　　[8] 姚晰童,代煜,张建勋,等.陡脉冲干扰下的心电信号滤波及 QRS提取[J].工程科学学报,2020.42(5):654-662.
　　[9] 马晓婷,尚宇.ECG去噪算法的设计与实现[J].国外电子测量 技术,2017.36(7):18-22.
 
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