基于STM32W的老人心率實(shí)時(shí)監(jiān)測及跌倒檢測系統(tǒng)

摘要：為了有效地解決獨(dú)居老人由于突發(fā)性病癥而得不到及時(shí)救治的問題，本系統(tǒng)以STM32W108無線射頻芯片為核心處理器，提出了的一種心率實(shí)時(shí)監(jiān)測和跌倒檢測的解決方案。該系統(tǒng)利用ECG信號(hào)中的QRS波提取心率，同時(shí)分析三軸加速度傳感器的信號(hào)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化(SV M、DSVM)和姿態(tài)特征變化(姿態(tài)角)判斷是否跌倒。該設(shè)備通過模擬測試證明了其可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵字：ECG心率檢測；QRS波；三軸加速度傳感器；跌倒檢測算法；ZigBee；STM32W

在面向遠(yuǎn)程醫(yī)療和社區(qū)醫(yī)療信息化的無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)總體研究如圖1所示的基礎(chǔ)上，本文以STM32W108無線射頻為核心MCU，提出了一種可
以老人實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用硬件濾波的方法提取ECG信號(hào)中的QRS波，可實(shí)時(shí)分析心率；通過分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(SVM和DSVM)和姿態(tài)角變化判斷跌倒?fàn)顟B(tài)。最后通過模擬測試證明了該系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 STM32W無線射頻芯片介紹
STM32W108是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的完全集成的系統(tǒng)級芯片，符合IEEE802．15．4的標(biāo)準(zhǔn)，與目前其他的2．4GHz SoC芯片最大的區(qū)別在于：一、保持低功耗的基礎(chǔ)上，采用了32位ARMCortex—M3內(nèi)核，處理能力強(qiáng)；二、芯片內(nèi)部帶有功率放大器(PA)，發(fā)射功率可以達(dá)到7dBm，無需功放就可獲得較大的通信距離；三、芯片內(nèi)部固化了ZigBee協(xié)議棧，開發(fā)簡單。在該可課題的應(yīng)用中，我們使用的是STM32W108 CBU61(內(nèi)嵌ZigBee協(xié)議棧)，128kB的Flash存儲(chǔ)器。
1．2 ECG心率檢測原理
心率的檢測可以從很多方面獲得，如：通過分析血壓的壓動(dòng)信號(hào)；通過分析血氧脈搏波信號(hào)；通過分析ECG(Electrocardiogram)。考慮到設(shè)備的便宜性，我們采用的是胸部單導(dǎo)聯(lián)式的ECG采集原理，采用被測試人的右胸和腹部作為兩個(gè)電極信號(hào)輸入(由于當(dāng)前設(shè)計(jì)只是針對心率的采集，故不需要參考電極)。一個(gè)完整周期的理想ECG信號(hào)如圖2所示。

如圖所示，QRS波群巾的R處波峰，代表了電脈沖在心房之間的傳輸，它的典型值是在1mV左右，是ECG信號(hào)中幅值最大的信號(hào)。在該課題中，心率的檢測就是利用QRS波這一特點(diǎn)，將處理后的ECG信號(hào)通過QRS檢波電路輸出R波的脈沖信號(hào)，利用STM32W芯片端口的輸入捕獲功能，即可算法心率值。ECC信號(hào)采集流程如圖3所示。

1．3 跌倒檢測原理
人體跌倒是南于身體不自主失去平衡的行為，在跌倒的瞬間，人體的重力、加速度、位移和姿態(tài)等相關(guān)量都會(huì)發(fā)生變化。由于本課題中的老人行動(dòng)比較的單一簡單，所以我們利用單一的三軸加速度傳感器足以檢測出跌倒的狀態(tài)。我們通過分析加速度的瞬態(tài)變化去判斷人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后根據(jù)姿態(tài)角變化去判斷人體的姿態(tài)特征，綜合兩者因素得出是否跌倒。
*速度瞬態(tài)變化
人體加速度向量幅值SVM和微分加速度幅值的絕對平均值DSVM是區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重要參量。SVM通過計(jì)算加速度幅度表征人體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其值越大表明運(yùn)動(dòng)越劇烈。其定義為

DSVM通過計(jì)算SVM的微分絕對值的時(shí)間平均表征人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的劇烈程度，其值越大表明運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化越劇烈。其定義為：
在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系下考察SVM和DSVM，可監(jiān)測人體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化強(qiáng)度。