心电数据床边采集系统的开发研究
朱乐 徐学军
文章编号： 2095-2163（2018）03-0084-04中图分类号： 文献标志码： A
摘要： 关键词： （School of Physical & Electronic Science， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， China）
Abstract： Faced with the situation of China′s elderly people and combined with today′s maturing wireless communication technology， the paper researches a convenient monitoring elderly people′s ECG mutation system. The system uses the MAX30102 sensor to collect elderly ECG data. The STM32 microcontroller is used as a control unit equipped with MAX30102 sensor， GPS module and bluetooth transceiver. And data are exchanged between STM32 and mobile client via the bluetooth 4.0. Based on the above， the paper establishes a mobile client through the use of Android platform. The system can perform real-time monitoring of the ECG changes of the elderly and achieve accurate location. Simultaneously， the system is simple in operation and low in price， which provides a great convenience for improving the aged care service. And it is of great significance and has a broad application prospect.
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收稿日期： 引言
20世纪后期，控制人口急剧增长的推进和人口出生率的迅速下降，加快了中国人口老龄化的进程。根据2000年第五次人口普查情况得知，65岁及以上的群体占总人口的6.96%[1]。同1990年第四次全国人口普查[2]相比，比重上升了1.39%。而2010年第六次人口普查中，65岁及以上的人口占据总体数量的8.89%[3]，比2000年又上升了1.93%。截止到2017年，中国老年人口总数进一步增长，65岁及以上老年人口占比飙升至11.4%[4]。与2010年第六次人口普查相比，所占比重动态攀升了2.51%。这一系列数据皆已明确指出中国的人口老龄化现象越来越突出。目前，中国的老年人口呈现出基数大、增速快、高龄化、失能化、空巢化倾向明显的格局态势，再加上国内未富先老的国情和家庭小型化的结构，养老问题异常严峻。
老年人由于各项生理机能逐步退化，健康状况普遍不佳，在身边缺少亲人或医护人员照料的情况下容易发生意外[5]。此外，老年人认知新事物的能力日趋减弱，因而无法迅速、熟练地使用智能复杂的通信设备。
综合上述特点分析可知，为了确保老年人独处时身体突发不适可以在第一时间内发出消息并及时获得救援，本文设计提出了一套适用于老年人心电突变的监控系统。该系统操作简单、价格低廉，一定程度上可以缓解社会和子女对老年人健康监护的压力与困扰，表现出良好的可行性和可操作性。
1系統设计实现
图1是老年心电突变系统的总体框图。该系统以STM32单片机为控制核心，通过贴近皮肤的MAX30102传感器实时采集老人的心电信号，再通过蓝牙将采集后的心电数据发送到手机客户端。与此同时，系统还会将采集后的心电数据与正常的心电数据进行比较，当老人的心电数据和正常的数据存在一定偏差、即出现异常时，就立刻通过手机客户端将老人的心电异常信息和位置信息发送给养老机构的工作人员和老人亲属，确保老人可以在最短时间得到援助。养老机构的工作人员或者老年人亲属也可以随时登录手机客户端查看老年人的实时心电数据。
1.1QRS波群
正常的心电波形如图2所示。一个正常心动周期内的心电图由P波、QRS波群、T波和微小的U波组成。QRS波群代表着心室除极时的体表电位差变化，持续时间约为0.06～0.10 s，正常成人不超过0.12 s[6]。QRS波群时间能反映出心室、心房有无心律失常。该系统就是利用QRS波群持续时间以及2次R波时间间隔作为手机客户端判断心电突变的基础和关键。如果老人心电有突变，则QRS波群也会呈现相应变化。例如：老人心跳停止时，QRS波群不会再有电位的变化；老人心跳加快时，QRS波群电位变化的频率也会增加等。
1.2心电采集模块
本系统采用Maxim公司2016年推出的MAX30102传感器模块采集老人的心电信号。MAX30102是脉搏血氧仪和心率监测仪设计内嵌于其中的生物传感器模块。该传感器模块集成了多个LED、光电检测器、光器件，以及带环境光抑制的低噪声电子电路，且具有标准的I2C兼容的通信接口。工作时，采用1.8 V的单电源供电，同时内部LED采用单独的5.0 V电源供电。该模块可通过手机客户端关断电源，待机状态的电流消耗几乎为零，可以始终保持电源提供一个恒定的电压值。这里，研究给出了MAX30102传感器的模块原理如图3所示。图3MAX30102原理图
Fig. 3MAX30102 schematic
1.3微控制器
微控制器是系统的核心，主要用于实现心电信号采集、数据处理和存储、坐标信息获取以及数据通信等功能。考虑到成本、功耗以及处理速度等因素，该系统选用STM32L021D4微控制器作为设计中枢。这款微控制器具有体积小（仅有14个引脚）、功耗低（工作电流为76 μA/MHz）、运行速度快（最高主频为32 MHz），支持I2C接口和蓝牙技术进行数据传输等优点。该微控制器可以保证心电数据在采集模块和手机客户端之间的稳定传输，符合整个系统设计的基本要求。
1.4无线传输模块
本系统中，STM32微控制器与手机客户端通过hc05蓝牙模块进行通信，hc05蓝牙模块的内部电路组成如图4所示。其中，TX和RX引脚分别与STM32上的RX和TX引脚用串口构建连接，配置达成数据交换（传送心电数据）目的[7]。而在设计研究后，hc05将通过AT指令与手机客户端实现通信。
1.5定位模块
GPS信号处理单元通过GPS定位模块实时获取老年人的位置信息，位置信息处理单元通过访问服务器地址，将坐标数据实时传送到手机客户端。
2软件设计
手机客户端采用Eclipse作为软件开发平台，使用Java语言开展程序编写调试。手机客户端将传入的老人心电数据与正常心电数据进行比较，实现对老人心电的实时监测。客户端运行界面和监测界面则可分见图5（a）和（b）。
（a）运行界面 （b）监测界面
（a）Operation interface（b）Monitoring interface
手机客户端与微控制器通过蓝牙成功连接后，点击运行界面中的开始监测，就会对使用该系统的老年人的心电信号进行监测。动态心电监测界面最下方会显示实时心电波形图，Rate是每分钟内的心跳次数，RRave是2次心跳的间隔，Errnum是异常心拍的次数。当2次心跳间隔过长或者过短，都会记录异常心拍的次数和发生的时间，Errnum会随着异常心拍次数的增加而逐次累积。在手机客户端中设置了Errnum的临界值。超过此临界值，则判定老年人心电信号出现了异常，手机会自动给亲属和养老院的工作人员发送老人心电异常和实时位置的提示短信。
3结束语
本文较为系统地研究实现了对老年人心电突变的智能监控，提供了一种关于老年人心电突变方面更先进实效、且贴近人性化的监测方法。该系统会在老年人心电异常时及时向亲属和养老院工作人员发送老年人的确切位置。不仅可以为老年人的日常生活带来便利，大幅提升了全社会关于老年人行为和健康監控的解决力度，增加了解决途径。而且，基于物联网在医疗领域的广泛应用，即使得本文中设计提出的老年心电突变系统也必将具有广阔的应用前景和良好的社会推广价值。
参考文献
[1] 国务院人口普查办公室. 中国1990年人口普查资料[M]. 北京：中国统计出版社，1993.
[2] 国务院人口普查办公室. 国家统计局人口和社会科技统计司，编. 中国2000年人口普查资料[M]. 北京：中国统计出版社，2002.
[3] 王金营，戈艳霞. 2010年人口普查数据质量评估以及对以往人口变动分析校正[J]. 人口研究，2013，37（1）：22-33.
[4] 中商产业研究院. 2018-2023年中国养老产业市场前景调查及投资机会研究报告[R]. 深圳：中商产业研究院，2018.
[5] 王震，刘智斌. 基于物联网的养老院管理系统设计与实现[J]. 计算机与现代化，2012（6）：77-80.
[6] 马玉润. ECG预处理与QRS波群检测技术研究[D]. 兰州：兰州大学，2013.
[7] 牛景乐，鲍权鑫，鲍丙豪. 基于单片机和蓝牙技术的智能风扇设计[J]. 仪表技术，2018（3）：23-26，46.
