基于小凌派RK2206的健康管家—智测心电无线结点助手

1、项目背景
根据统计，目前每年全世界有三分之一的人死于心血管疾病，由于现在人们物质生活水平的不断提高和饮食结构的不合理等因素，心血管疾病的发病率在逐年增高，并且有年轻化的趋势。由于心血管疾病通常发病突然，前期症状不明显，容易被人忽视，所以我们现在必须对其越来越重视，要分别加强保护和预防机制，而能够在生活中实时监测、尽早发现并及时治疗是一种有效的方法。所以这样一套能够精确测量日常生活中的人体心电信号，体温信息以及运动步数并通过无线通信方式传输至上位机的一套安全可靠，操作简单，且还是便于携带的智能穿戴设备，是具有非常重要的现实意义和实用价值的。
2、项目简介
2.1项目描述
该项目是基于 OpenHarmony 操作系统，它是我国自主研究、国产可控的芯片RK2206 搭载的一个全新的，独立的首个完全开源的操作系统。“无线智能运动动态监测系统”是能够精确测量在日常生活中的人体心电信号，体温信息以及运动步数并通过无线通信方式传输至上位机的一套安全可靠，操作简单，且便于携带的智能穿戴设备。能在日常生活中为人们提供运动安全上的保护，在必要时还能为心血管疾病患者提供实时的远程心电，体温监测，从而达到保健和病情预测的目的，为保证大家的心脏健康提供行之有效的监测手段。

2.2功能说明
此产品通过前级模拟前级模拟信号调理电路和数字滤波器的处理，有效的克服了心电信号微弱且易被强噪声淹没的非平稳性和非常容易受到人体自身和外界因素的干扰的特性，得到清晰、稳定且能够反映人体实际心电特征的生物电信号。
能够实时测量动态的心电信息、 人体体温信息和日常 活动步数的智能动态心电监测系统。
2.3系统功能模块划分
该系统以我国自主创新研发的芯片RK2206搭载 OpenHarmony 操作系统为控制核心，制作一套用电池供电的无线运动实时监测系统，基于 TI 模拟前端芯片 ADS1292 、温度传感器 LMT70和加速度计MPU6050等组成。通过各模块采集的信息以及控制核心，实现数据的接收、处理并通过蓝牙无线传输至上位机实时显示信息。
2.4项目展示

3、硬件方案
3.1硬件总体框架

3.2主控芯片

小凌派-RK2206是一款由福州市凌睿智捷电子有限公司专为HarmonyOS系统打造的HarmonyOS开发板。采用IoTCluB的E53接口标准，可接入所有的E53案例扩展板主控为瑞芯微RK2206芯片，200MHz主频，RAM 256KB、ROM 16KB、PSRAM 8M、FLASH 8M。
3.3 心电信号采集模块

基于 TI 公司提供的 ADS1292 作为前端放大芯片，它合并所有通常需要的特性便携式，低功率的医用心电图(ECG)、运动和健身应用。高水平的整合和例外性能，ADS1292允许创建可伸缩的医疗仪器系统的尺寸大大缩小，电力和总成本。ADS1292 是多通道同步采样 24 位Δ-Σ模数转换器(ADC)，它具有内置的可编程增益放大器(PGA)、内部基准和板载振荡器。ADS1292 每通道具有灵活的输入多路复用器，此多路复用器可独立连接至内部生成的信号，实现测试、温度和持续断线检测。此外，可选择输入通道的任一配置生成右腿驱动(RLD)输出信号。ADS1292 工作时的数据速率高达 8kSPS。相比于传统方法，使用 ADS1292 搭建模块电路设计更简单、所用元器件更少、成本和功耗更小。
3.4 运动信息模块

MPU-6050是一款全世界范围内的第一个9轴的加速度运动信息采集处理的传感器。MPU一6050对加速度计使用了三个16位的ADC，同时对陀螺仪也使用了三个16位的ADC。把它测量之后所获得的模拟数据转化成为可以输出和数字化处理的数字数据∞4|。为了能够随时进行更加精准的采集获取各种速度的运动信息，MPU-6050所进行的运动信息测量范围支持用户设定控制，陀螺仪能够实现采集测量的范围程度为±i000、±2000。／秒等，加速度计能够实现的采集测量的范围程度为±8、±169等。通过小凌派用12C总线读取MPU-6050采集到的信息并进行处理通过运动识别算法对MPU一6050获得的运动信息进行分析处理，从而能够得到人体的基本运动状态，对实时监测甄别患者的心电情况起到了良好的辅助作用。
3.5 温度测量模块

体表温度测量采用LMT70模块，LMT70 是一款超小型、高精度、低功耗 CMOS 模拟温度传感器，具有输出使能引脚。LMT70几乎适用于所有高精度、低功耗的经济高效型温度感测应用。芯片输出电压值与温度有关，呈二次函数关系，利用AD测量出输出电压值，经过校准标定参数，可以很精确的测量出温度值。通过小凌派内部的 ADC 采集 LMT70 引脚电压，根据芯片手册提供的一阶传递函数即可换算出温度。LMT70 在 -20℃～42℃范围内精度为±0.05℃。可以实现人体体表温度的准确测量。
4、软件方案
4.1软件框架设计
该软件采用3层结构，即应用层、接口（驱动）层和内核层，具体结构见下图。应用层包含数据交换层（各个传感器与CPU的数据交换），控制层和数据储存层。本项目接口层采用鸿蒙库自带的I2C驱动和UART驱动。内核，是一个操作系统的核心。是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统的最基本的功能，是操作系统工作的基础，本次采用开源鸿蒙系统。

4.2软件系统分析
首先，MCU初始化后，利用心电模块采集心电，然后利用小凌派内置ADC采集LM770温度模块，然后利用IIC协议获得MPU信息，然后将数据通过蓝牙上传至电脑端，上位机上实时显示采集的数据。

4.3LMT70温度计算原理
由图可得LMT70输出电压传递函数看起来是线性的，但仔细观察可以发现，它确实不是线性的可以用二阶或三阶传递函数方程更好地描述。
在较宽的温度范围内，最精确的单方程是三阶传递函数。利用最小二乘和法，生成了一个最佳拟合的三阶传递函数:,
其中a、b、c、d取值如下表所示,单位是mV,单位是℃。

4.4加速度计对于运动距离与运动步数原理
我们通过计算三个加速度的矢量长度，获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。

第二步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较，如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加可得到用户步行步伐。
最后是去干扰，人体最快的跑步频率为5HZ，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，我们设置了时段在记步过程中我们过滤了高频噪声，即步频过快的情况。同时我们通过和上次加速度大小进行比较，设置设立一定的阈值来判断运动是否属于有效，有效运动才可进行记步。
4.5心电波形监测技术
确检测与识别心电信号的特征点以及特征波形，是完成心电信号分析和诊断的基础，其准确性决定了最终的诊断结果。心电信号完成预处理后，需要进行波形以及特征点的检测，通过对提取的特征参数进行分析，便可获得患者心脏状况以及病患情况一个正常周期的心电图包含很多重要信息，常用的有P波、ORS波群、T波波形以及各波之间的间期。

人体任何一种状态，包括疾病和正常状态，都有一定的心电波形特征与之对应，主要体现在波形形态与波形参数中。正常人体心电波形的形态、幅值以及时间间隔都具有一定的范围，如果某一时刻的心电信号出现异常，便可根据波形的特征和参数进行分析，从而判断疾病的发生与否.通过对心电信号的特征点和各波形进行检测、定位，提取特征波形和相关参数，便可实现心电的自动化检测与分析。在一个完整周期的心电信号中，QRS波群是最重要的子波。QRS波形幅值大、周期长、容易检测，在对心电信号的分析过程中，该波形的特征参数常常作为心电信号检测与分析的重要依据到。而在QRs波群中，R波占波群最大的比重，其波形变化快、幅值高、周期长，具有很强的代表性。因此，几乎所有的ORs波形检测是先实现R波的检测与定位的基础上实现的。目前，大多数工程应用中常常采用时域分析法实现心电信号波形的检测与识别。
5、项目总结和展望
这个设备在一定程度上可以降低患者医疗成本，缓解医院就 诊压力，有助于心血管疾病的早期控制和有效治疗。能在日常生 活中为人们提供运动安全上的保护，对实时监测甄别患者的心电 情况起到了良好的辅助作用，能实时的为医生提供动态有效的参 考数据，提高了数据的可靠性以及诊断的准确性和实时性。
并且我们将该系统产品化，使之变得更加便携，甚至可以随 时随地测量自己的身体状况，操作简单。因此，研究设计出一套,能够实时测量动态的心电信息，人体体温信息，和日常活动步数 的智能动态心电监测系统具有极其重要的社会价值，经济价值和 市场需求。