A题-南京信息工程大学-无线运动传感器节点设计

电赛小编

摘要
本系统以stm32 作为主控芯片，基于TI 模拟前端芯片ADS1292、温度传感器LMT70、设计制作无线运动传感器节点。该节点采用锂电池供电，保证了便携性，并通过对应传感器将使用者心电信息、体表温度和运动信息在LCD 屏上实时显示，同时可以上传节点传感数据到移动终端中，然后实现数据显示。另外在心电检测中使用了MATLAB 进行仿真滤波和算法的设计，保证了各项数值的准确性。

关键词：STM32 传感器物联网心电检测差分

1. 设计方案工作原理
1.1. 预期实现目标定位
根据题目要求，以STM32 芯片为控制和处理核心，制作一个无线运动传感器节点。产品可以实现实时测量使用者的心电信息、体表温度和运动信息并实时上传至移动终端。

1.2. 技术方案分析比较
（1）前端滤波模块
方案一：搭建硬件带通滤波器，实现滤波。前端滤波的目的是滤去心电检测中的杂波。但是本题使用的模块ADS1292 集成度较高，难以添加外部硬件模块，且硬件实现本题所需阶数滤波器的难度较大。
方案二：利用MATLAB 仿真设计161 阶FIR 数字滤波电路，实现通频带为5Hz~40Hz。该方法可以节省硬件资源，通过软件高效实现题目要求的带通滤波，得到相对准确的波形，有益于后续数据的处理。

综合考虑，本设计选用方案二。

（2）加速度计模块
方案一：JY-61 模块的是一种六轴模块，采用高精度陀螺加速度计MPU6050，且自带卡尔曼滤波模块，有效降噪，提高精度。

方案二：GY-521 模块是一种三轴模块，也采用MPU6050，但需要自己设计滤波模块，较为麻烦。

方案三：CJMCU-280 模块由于没有相关例程代码和滤波模块，难以调试。

综合考虑，本设计选用方案一。

1.3. 系统总体方案
（1） 系统总体结构如图1.1
本系统以STM32F103ZET6 作为主控芯片，主要由可充电锂电池、稳压电源模块、ADS1292 心电检测模块、LMT70 模块、ATK-MPU6050 六轴传感器模块和无线传输模块ESP-8266 等组成。

图1.1 系统结构框图

（2）工作原理
系统以7.4V 可充电锂电池经稳压电源模块供电，通过STM32 以SPI 控制三个传感器模块，收集到数据后进行计算，最后上传到上位机移动终端。本次我们使用ADS1292 模块采集心电信号，LMT70 模块测量体表温度，MPU6050 模块测量运动信息。此三个模块皆通过SPI 与MCU 通信。本次我们使用MATLAB 的FDATOOL 工具设计了161 阶数字带通滤波器来处理噪声干扰信号。此次测量主要的噪声干扰信号为0.05~2Hz 的基线漂移，30~2000Hz 的肌电干扰，以及50Hz 的工频干扰。

2、核心部件电路设计
心电模块ADS1292 原理图如图2.1 所示。

图2.1 ADS1292 原理图

3、系统软件设计分析
本文软件系统主要由心电检测模块，加速度检测模块，温度检测模块和互联网模块四部分组成，通过按键在TFTLCD 显示屏上切换模式，实现对数据或者波形的高实时性动态显示。

3.1 心电模块
本文采取商家提供的ADS1292 模块采集心电信号，此模块首先对信号放大6倍，并进行滤波，通过500SPS 的高频AD 转化持续向stm32 单片机输送数字信号，单片机根据信号实时显示波形。

3.1.1 前端滤波设计
前端滤波设计如图3.1 所示，通频带为1.2~40Hz。

图3.1 数字带通滤波设计

3.1.2 R 波检测算法
本文采用差分阈值法寻找R 峰，通过差分寻找到离散信号的极大值，再判断函数值是否满足阈值的条件，即波动幅度达到一定数值，来鉴定极大值是否就是R峰；根据QS 峰分布特性，在检测到R 峰之后，于附近50ms 寻找Q 峰和S 峰，计算RS 间期；根据R 峰200ms 不应期的特性，设置200ms 延时，再寻找后续R 峰，同时过滤T 波，标记R 峰，计算RR 间期，以此测算心率；倘若相邻两次RR 间期相差过大，开启蜂鸣器报警。

3.1.2 阈值的选取以及校正
程序最初采用经验阈值寻找R 峰，但此阈值未必适用于任何波形，在实际波形中存在基线漂移等状况导致阈值不合适，因此本文通过分析前5 秒的波形数据，计算合适的阈值，处理后续波形，直到心率，RR 间期等指标稳定。即便如此，此阈值不能完全满足实际波形的处理，还需要动态调整，本文采用
BP 神经网络反向误差传递的思想，根据R 峰和阈值的差值对原阈值进行略微的修正，实现阈值的动态修正。

3.1.3 R 峰的定向
在R 峰选取之前，必须先确定R 峰的朝向，不然会影响R 峰识别以及心率等指标。本文计算样本的最大值与最小值相对平均值的偏移量。倘若最大值偏离程度较大，则R 峰正向，否则R 峰反向。

图3.2 心电模块流程图

3.2 温度模块、无线传输模块以及加速度计模块
本文采用LMT70 芯片采集温度，向单片机输出模拟信号，单片机通过ADC对信号进行实时监测并显示。实际监测过程中，温度跳动严重，我们通过添加软件滤波（递推均值滤波）实现示数稳定，流程如下图所示。加速度计模块采用MPU-6050 六轴传感模块，使用者手握传感器，单片机计算x、y 方向的加速度的测算，计步数并根据步数计算行走距离，同时采用简易软件滤波，完成数据的准确测算，流程图如下图所示。无线传输模块采用ESP-8266 模块，实现与上位机通信。

图3.3 加速度模块流程图	图3.4 温度模块流程图

4、竞赛工作环境条件
4.1 设计分析软件环境
MATLAB, Keil-MDK5.23, Altium Designer

4.2 仪器设备硬件平台
万用表，示波器，电源，远程显示端

5、作品成效总结分析
心电检测基本在屏幕中间显示，RS 间期精度为1ms，测试值稳定在30ms 左
右，心率测试精度为1 次/min，测试值实时更新。温度模块精度为0.1℃，测量数
值相对稳定，加速度计测量的距离按每步60cm 来计算。

1 心电信息测量
1.1 心电信号波形测量结果

图（a）心电信号模拟器测量结果	（b） 实际人体测量结果

1.2 QRS 时间测量

测量次数	RS 时间标准值 （ms）	RS 时间实际测量值 （ms）	误差 （ms）
1	32	30	-1
2	32	33	1
3	32	31	-1

1.3 心率测量

测量次数	设置值（bpm）	实际测量值(bpm)	误差（%）
1	80	80	0%
2	90	89	1.11%
3	100	100	0%

  
   
  
1.4 超过20%是否报警？_____是________

2 温度测量

测量次数	水银温度计测量值（°C）	系统测量值 （°C）	误差 （°C）
1	36.6	36.9	0.3
2	36.4	36.6	0.2
3	36.7	36.6	-0.1

3 步长和距离测量

测试次数	实际行程		系统测量		​值误差
	步数	距离	步数	距离	步数	距离
1	10	5.9m	10	5.5m	0	0.4m
2	102	63m	104	57.2m	2	-5.8m
3	447	250.2m	463	254.65m	16	4.45m

4 远程显示界面




参考资料及文献
［1］ 孙金平．基于LabVIEW 的远程心电监护系统设计［J］．电子科技，2015，28( 10) : 173 － 175．
［2］ 刘一，任占兵． 基于安卓手机的远程心电测量系统的设计［J］． 电子器件，2015( 1) : 194 － 197．
［3］ 聂希芸． 基于差分绝对值的Ｒ 波检测算法研究［D］． 昆明: 云南大学，2011．
［4］ 肖波． 浅议基于DSP 的心电信号检测系统［J］． 科技创新导报，2012( 27) : 139 － 139．
［5］彭保基． 基于蓝牙及Android 的便携式心电仪的设计与实现［D］． 长春: 吉林大学，2014．
［6］ ADS1292、LMT70、ATK-MPU6050、ESP-8266 数据手册.

附件材料








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2020-12-8 16:10 上传

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