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51CTO 開(kāi)源基礎(chǔ)軟件社區(qū)

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1、項(xiàng)目背景

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前每年全世界有三分之一的人死于心血管疾病，由于現(xiàn)在人們物質(zhì)生活水平的不斷提高和飲食結(jié)構(gòu)的不合理等因素，心血管疾病的發(fā)病率在逐年增高，并且有年輕化的趨勢(shì)。由于心血管疾病通常發(fā)病突然，前期癥狀不明顯，容易被人忽視，所以我們現(xiàn)在必須對(duì)其越來(lái)越重視，要分別加強(qiáng)保護(hù)和預(yù)防機(jī)制，而能夠在生活中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、盡早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)治療是一種有效的方法。所以這樣一套能夠精確測(cè)量日常生活中的人體心電信號(hào)，體溫信息以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸至上位機(jī)的一套安全可靠，操作簡(jiǎn)單，且還是便于攜帶的智能穿戴設(shè)備，是具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值的。

2、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

（1）項(xiàng)目描述

該項(xiàng)目是基于 OpenHarmony 操作系統(tǒng)，它是我國(guó)自主研究、國(guó)產(chǎn)可控的芯片RK2206 搭載的一個(gè)全新的，獨(dú)立的首個(gè)完全開(kāi)源的操作系統(tǒng)?！盁o(wú)線(xiàn)智能運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”是能夠精確測(cè)量在日常生活中的人體心電信號(hào)，體溫信息以及運(yùn)動(dòng)步數(shù)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸至上位機(jī)的一套安全可靠，操作簡(jiǎn)單，且便于攜帶的智能穿戴設(shè)備。能在日常生活中為人們提供運(yùn)動(dòng)安全上的保護(hù)，在必要時(shí)還能為心血管疾病患者提供實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程心電，體溫監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到保健和病情預(yù)測(cè)的目的，為保證大家的心臟健康提供行之有效的監(jiān)測(cè)手段。

（2）功能說(shuō)明

此產(chǎn)品通過(guò)前級(jí)模擬前級(jí)模擬信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)字濾波器的處理，有效的克服了心電信號(hào)微弱且易被強(qiáng)噪聲淹沒(méi)的非平穩(wěn)性和非常容易受到人體自身和外界因素的干擾的特性，得到清晰、穩(wěn)定且能夠反映人體實(shí)際心電特征的生物電信號(hào)。

能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)的心電信息、 人體體溫信息和日常 活動(dòng)步數(shù)的智能動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）系統(tǒng)功能模塊劃分

該系統(tǒng)以我國(guó)自主創(chuàng)新研發(fā)的芯片RK2206搭載OpenHarmony 操作系統(tǒng)為控制核心，制作一套用電池供電的無(wú)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于 TI 模擬前端芯片 ADS1292 、溫度傳感器 LMT70和加速度計(jì)MPU6050等組成。通過(guò)各模塊采集的信息以及控制核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示信息。

（4）項(xiàng)目展示

3、硬件方案

（1）硬件總體框架

（2）主控芯片

小凌派-RK2206是一款由福州市凌睿智捷電子有限公司專(zhuān)為HarmonyOS系統(tǒng)打造的HarmonyOS開(kāi)發(fā)板。采用IoTCluB的E53接口標(biāo)準(zhǔn)，可接入所有的E53案例擴(kuò)展板主控為瑞芯微RK2206芯片，200MHz主頻，RAM 256KB、ROM 16KB、PSRAM 8M、FLASH 8M。

（3）心電信號(hào)采集模塊

基于 TI 公司提供的 ADS1292 作為前端放大芯片，它合并所有通常需要的特性便攜式，低功率的醫(yī)用心電圖(ECG)、運(yùn)動(dòng)和健身應(yīng)用。高水平的整合和例外性能，ADS1292允許創(chuàng)建可伸縮的醫(yī)療儀器系統(tǒng)的尺寸大大縮小，電力和總成本。ADS1292 是多通道同步采樣 24 位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，它具有內(nèi)置的可編程增益放大器(PGA)、內(nèi)部基準(zhǔn)和板載振蕩器。ADS1292 每通道具有靈活的輸入多路復(fù)用器，此多路復(fù)用器可獨(dú)立連接至內(nèi)部生成的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試、溫度和持續(xù)斷線(xiàn)檢測(cè)。此外，可選擇輸入通道的任一配置生成右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)輸出信號(hào)。ADS1292 工作時(shí)的數(shù)據(jù)速率高達(dá) 8kSPS。相比于傳統(tǒng)方法，使用 ADS1292 搭建模塊電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、所用元器件更少、成本和功耗更小。

（4）運(yùn)動(dòng)信息模塊

MPU-6050是一款全世界范圍內(nèi)的第一個(gè)9軸的加速度運(yùn)動(dòng)信息采集處理的傳感器。MPU一6050對(duì)加速度計(jì)使用了三個(gè)16位的ADC，同時(shí)對(duì)陀螺儀也使用了三個(gè)16位的ADC。把它測(cè)量之后所獲得的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為可以輸出和數(shù)字化處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)∞4|。為了能夠隨時(shí)進(jìn)行更加精準(zhǔn)的采集獲取各種速度的運(yùn)動(dòng)信息，MPU-6050所進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)信息測(cè)量范圍支持用戶(hù)設(shè)定控制，陀螺儀能夠?qū)崿F(xiàn)采集測(cè)量的范圍程度為±i000、±2000。／秒等，加速度計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)的采集測(cè)量的范圍程度為±8、±169等。通過(guò)小凌派用12C總線(xiàn)讀取MPU-6050采集到的信息并進(jìn)行處理通過(guò)運(yùn)動(dòng)識(shí)別算法對(duì)MPU一6050獲得的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行分析處理，從而能夠得到人體的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甄別患者的心電情況起到了良好的輔助作用。

（5）溫度測(cè)量模塊

體表溫度測(cè)量采用LMT70模塊，LMT70 是一款超小型、高精度、低功耗 CMOS 模擬溫度傳感器，具有輸出使能引腳。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(cè)應(yīng)用。芯片輸出電壓值與溫度有關(guān)，呈二次函數(shù)關(guān)系，利用AD測(cè)量出輸出電壓值，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)標(biāo)定參數(shù)，可以很精確的測(cè)量出溫度值。通過(guò)小凌派內(nèi)部的 ADC 采集 LMT70 引腳電壓，根據(jù)芯片手冊(cè)提供的一階傳遞函數(shù)即可換算出溫度。LMT70 在 -20℃～42℃范圍內(nèi)精度為±0.05℃。 可以實(shí)現(xiàn)人體體表溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。

4、軟件方案

（1）軟件框架設(shè)計(jì)

該軟件采用3層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、接口（驅(qū)動(dòng)）層和內(nèi)核層，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。應(yīng)用層包含數(shù)據(jù)交換層（各個(gè)傳感器與CPU的數(shù)據(jù)交換），控制層和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層。本項(xiàng)目接口層采用鴻蒙庫(kù)自帶的I2C驅(qū)動(dòng)和UART驅(qū)動(dòng)。內(nèi)核，是一個(gè)操作系統(tǒng)的核心。是基于硬件的第一層軟件擴(kuò)充，提供操作系統(tǒng)的最基本的功能，是操作系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，本次采用開(kāi)源鴻蒙系統(tǒng)。

（2）軟件系統(tǒng)分析

首先，MCU初始化后，利用心電模塊采集心電，然后利用小凌派內(nèi)置ADC采集LM770溫度模塊，然后利用IIC協(xié)議獲得MPU信息，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙上傳至電腦端，上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)

（3）LMT70溫度計(jì)算原理

由圖可得LMT70輸出電壓傳遞函數(shù)看起來(lái)是線(xiàn)性的，但仔細(xì)觀(guān)察可以發(fā)現(xiàn)，它確實(shí)不是線(xiàn)性的可以用二階或三階傳遞函數(shù)方程更好地描述。

在較寬的溫度范圍內(nèi)，最精確的單方程是三階傳遞函數(shù)。利用最小二乘和法，生成了一個(gè)最佳擬合的三階傳遞函數(shù):

其中a、b、c、d取值如下表所示：

單位是mV：

單位是℃。

（4）加速度計(jì)對(duì)于運(yùn)動(dòng)距離與運(yùn)動(dòng)步數(shù)原理

我們通過(guò)計(jì)算三個(gè)加速度的矢量長(zhǎng)度，獲得一條步行運(yùn)動(dòng)的正弦曲線(xiàn)軌跡。

第二步是峰值檢測(cè)，我們記錄了上次矢量長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)矢量長(zhǎng)度的變化，可以判斷目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向進(jìn)行比較，如果是相反的，即是剛過(guò)峰值狀態(tài)，則進(jìn)入計(jì)步邏輯進(jìn)行計(jì)步，否則舍棄。通過(guò)對(duì)峰值的次數(shù)累加可得到用戶(hù)步行步伐。

最后是去干擾，人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說(shuō)相鄰兩步的時(shí)間間隔的至少大于0.2秒，我們?cè)O(shè)置了時(shí)段在記步過(guò)程中我們過(guò)濾了高頻噪聲，即步頻過(guò)快的情況。同時(shí)我們通過(guò)和上次加速度大小進(jìn)行比較，設(shè)置設(shè)立一定的閾值來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)是否屬于有效，有效運(yùn)動(dòng)才可進(jìn)行記步。

（5）心電波形監(jiān)測(cè)技術(shù)

確檢測(cè)與識(shí)別心電信號(hào)的特征點(diǎn)以及特征波形，是完成心電信號(hào)分析和診斷的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性決定了最終的診斷結(jié)果。心電信號(hào)完成預(yù)處理后，需要進(jìn)行波形以及特征點(diǎn)的檢測(cè)，通過(guò)對(duì)提取的特征參數(shù)進(jìn)行分析，便可獲得患者心臟狀況以及病患情況一個(gè)正常周期的心電圖包含很多重要信息，常用的有P波、ORS波群、T波波形以及各波之間的間期。

人體任何一種狀態(tài)，包括疾病和正常狀態(tài)，都有一定的心電波形特征與之對(duì)應(yīng)，主要體現(xiàn)在波形形態(tài)與波形參數(shù)中。正常人體心電波形的形態(tài)、幅值以及時(shí)間間隔都具有一定的范圍，如果某一時(shí)刻的心電信號(hào)出現(xiàn)異常，便可根據(jù)波形的特征和參數(shù)進(jìn)行分析，從而判斷疾病的發(fā)生與否.通過(guò)對(duì)心電信號(hào)的特征點(diǎn)和各波形進(jìn)行檢測(cè)、定位，提取特征波形和相關(guān)參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)心電的自動(dòng)化檢測(cè)與分析。在一個(gè)完整周期的心電信號(hào)中，QRS波群是最重要的子波。QRS波形幅值大、周期長(zhǎng)、容易檢測(cè)，在對(duì)心電信號(hào)的分析過(guò)程中，該波形的特征參數(shù)常常作為心電信號(hào)檢測(cè)與分析的重要依據(jù)到。而在QRs波群中，R波占波群最大的比重，其波形變化快、幅值高、周期長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的代表性。因此，幾乎所有的ORs波形檢測(cè)是先實(shí)現(xiàn)R波的檢測(cè)與定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。目前，大多數(shù)工程應(yīng)用中常常采用時(shí)域分析法實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)波形的檢測(cè)與識(shí)別。

5、項(xiàng)目總結(jié)和展望

這個(gè)設(shè)備在一定程度上可以降低患者醫(yī)療成本，緩解醫(yī)院就 診壓力，有助于心血管疾病的早期控制和有效治療。能在日常生 活中為人們提供運(yùn)動(dòng)安全上的保護(hù)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甄別患者的心電 情況起到了良好的輔助作用，能實(shí)時(shí)的為醫(yī)生提供動(dòng)態(tài)有效的參 考數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的可靠性以及診斷的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

并且我們將該系統(tǒng)產(chǎn)品化，使之變得更加便攜，甚至可以隨 時(shí)隨地測(cè)量自己的身體狀況，操作簡(jiǎn)單。因此，研究設(shè)計(jì)出一套

能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)的心電信息，人體體溫信息，和日?；顒?dòng)步數(shù) 的智能動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有極其重要的社會(huì)價(jià)值，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和 市場(chǎng)需求。

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