基于STM32W的老人心率實時監測及跌倒檢測系統

摘要：為了有效地解決獨居老人由于突發性病癥而得不到及時救治的問題，本系統以STM32W108無線射頻芯片為核心處理器，提出了的一種心率實時監測和跌倒檢測的解決方案。該系統利用ECG信號中的QRS波提取心率，同時分析三軸加速度傳感器的信號，結合運動狀態變化(SV M、DSVM)和姿態特征變化(姿態角)判斷是否跌倒。該設備通過模擬測試證明了其可靠性和實用性。
關鍵字：ECG心率檢測；QRS波；三軸加速度傳感器；跌倒檢測算法；ZigBee；STM32W

在面向遠程醫療和社區醫療信息化的無線物聯網技術總體研究如圖1所示的基礎上，本文以STM32W108無線射頻為核心MCU，提出了一種可
以老人實時監測系統。該系統采用硬件濾波的方法提取ECG信號中的QRS波，可實時分析心率；通過分析運動狀態(SVM和DSVM)和姿態角變化判斷跌倒狀態。最后通過模擬測試證明了該系統的可靠性和實用性。

1 系統架構設計
1．1 STM32W無線射頻芯片介紹
STM32W108是意法半導體(ST)公司推出的完全集成的系統級芯片，符合IEEE802．15．4的標準，與目前其他的2．4GHz SoC芯片最大的區別在于：一、保持低功耗的基礎上，采用了32位ARMCortex—M3內核，處理能力強；二、芯片內部帶有功率放大器(PA)，發射功率可以達到7dBm，無需功放就可獲得較大的通信距離；三、芯片內部固化了ZigBee協議棧，開發簡單。在該可課題的應用中，我們使用的是STM32W108 CBU61(內嵌ZigBee協議棧)，128kB的Flash存儲器。
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信號；通過分析血氧脈搏波信號；通過分析ECG(Electrocardiogram)。考慮到設備的便宜性，我們采用的是胸部單導聯式的ECG采集原理，采用被測試人的右胸和腹部作為兩個電極信號輸入(由于當前設計只是針對心率的采集，故不需要參考電極)。一個完整周期的理想ECG信號如圖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信號中幅值最大的信號。在該課題中，心率的檢測就是利用QRS波這一特點，將處理后的ECG信號通過QRS檢波電路輸出R波的脈沖信號，利用STM32W芯片端口的輸入捕獲功能，即可算法心率值。ECC信號采集流程如圖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、位移和姿態等相關量都會發生變化。由于本課題中的老人行動比較的單一簡單，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。我們通過分析加速度的瞬態變化去判斷人體的運動狀態，然后根據姿態角變化去判斷人體的姿態特征，綜合兩者因素得出是否跌倒。
*速度瞬態變化
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是區分人體運動狀態的重要參量。SVM通過計算加速度幅度表征人體運動的劇烈程度，其值越大表明運動越劇烈。其定義為

DSVM通過計算SVM的微分絕對值的時間平均表征人體運動狀態變化的劇烈程度，其值越大表明運動狀態變化越劇烈。其定義為：
在動態坐標系下考察SVM和DSVM，可監測人體的運動強度和運動狀態變化強度。