基于小凌派RK2206的健康管家—智測心電無線結點助手
1、項目背景
根據統計，目前每年全世界有三分之一的人死于心血管疾病，由于現在人們物質生活水平的不斷提高和飲食結構的不合理等因素，心血管疾病的發病率在逐年增高，并且有年輕化的趨勢。由于心血管疾病通常發病突然，前期癥狀不明顯，容易被人忽視，所以我們現在必須對其越來越重視，要分別加強保護和預防機制，而能夠在生活中實時監測、盡早發現并及時治療是一種有效的方法。所以這樣一套能夠精確測量日常生活中的人體心電信號，體溫信息以及運動步數并通過無線通信方式傳輸至上位機的一套安全可靠，操作簡單，且還是便于攜帶的智能穿戴設備，是具有非常重要的現實意義和實用價值的。
2、項目簡介
（1）項目描述
該項目是基于 OpenHarmony 操作系統，它是我國自主研究、國產可控的芯片RK2206 搭載的一個全新的，獨立的首個完全開源的操作系統。“無線智能運動動態監測系統”是能夠精確測量在日常生活中的人體心電信號，體溫信息以及運動步數并通過無線通信方式傳輸至上位機的一套安全可靠，操作簡單，且便于攜帶的智能穿戴設備。能在日常生活中為人們提供運動安全上的保護，在必要時還能為心血管疾病患者提供實時的遠程心電，體溫監測，從而達到保健和病情預測的目的，為保證大家的心臟健康提供行之有效的監測手段。
（2）功能說明
此產品通過前級模擬前級模擬信號調理電路和數字濾波器的處理，有效的克服了心電信號微弱且易被強噪聲淹沒的非平穩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、穩定且能夠反映人體實際心電特征的生物電信號。
能夠實時測量動態的心電信息、 人體體溫信息和日常 活動步數的智能動態心電監測系統。
（3）系統功能模塊劃分
該系統以我國自主創新研發的芯片RK2206搭載OpenHarmony 操作系統為控制核心，制作一套用電池供電的無線運動實時監測系統，基于 TI 模擬前端芯片 ADS1292 、溫度傳感器 LMT70和加速度計MPU6050等組成。通過各模塊采集的信息以及控制核心，實現數據的接收、處理并通過藍牙無線傳輸至上位機實時顯示信息。
（4）項目展示
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為HarmonyOS系統打造的HarmonyOS開發板。采用IoTCluB的E53接口標準，可接入所有的E53案例擴展板主控為瑞芯微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，低功率的醫用心電圖(ECG)、運動和健身應用。高水平的整合和例外性能，ADS1292允許創建可伸縮的醫療儀器系統的尺寸大大縮小，電力和總成本。ADS1292 是多通道同步采樣 24 位Δ-Σ模數轉換器(ADC)，它具有內置的可編程增益放大器(PGA)、內部基準和板載振蕩器。ADS1292 每通道具有靈活的輸入多路復用器，此多路復用器可獨立連接至內部生成的信號，實現測試、溫度和持續斷線檢測。此外，可選擇輸入通道的任一配置生成右腿驅動(RLD)輸出信號。ADS1292 工作時的數據速率高達 8kSPS。相比于傳統方法，使用 ADS1292 搭建模塊電路設計更簡單、所用元器件更少、成本和功耗更小。
（4）運動信息模塊
MPU-6050是一款全世界范圍內的第一個9軸的加速度運動信息采集處理的傳感器。MPU一6050對加速度計使用了三個16位的ADC，同時對陀螺儀也使用了三個16位的ADC。把它測量之后所獲得的模擬數據轉化成為可以輸出和數字化處理的數字數據∞4|。為了能夠隨時進行更加精準的采集獲取各種速度的運動信息，MPU-6050所進行的運動信息測量范圍支持用戶設定控制，陀螺儀能夠實現采集測量的范圍程度為±i000、±2000。／秒等，加速度計能夠實現的采集測量的范圍程度為±8、±169等。通過小凌派用12C總線讀取MPU-6050采集到的信息并進行處理通過運動識別算法對MPU一6050獲得的運動信息進行分析處理，從而能夠得到人體的基本運動狀態，對實時監測甄別患者的心電情況起到了良好的輔助作用。
（5）溫度測量模塊
體表溫度測量采用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、低功耗的經濟高效型溫度感測應用。芯片輸出電壓值與溫度有關，呈二次函數關系，利用AD測量出輸出電壓值，經過校準標定參數，可以很精確的測量出溫度值。通過小凌派內部的 ADC 采集 LMT70 引腳電壓，根據芯片手冊提供的一階傳遞函數即可換算出溫度。LMT70 在 -20℃～42℃范圍內精度為±0.05℃。 可以實現人體體表溫度的準確測量。
4、軟件方案
（1）軟件框架設計
該軟件采用3層結構，即應用層、接口（驅動）層和內核層，具體結構見下圖。應用層包含數據交換層（各個傳感器與CPU的數據交換），控制層和數據儲存層。本項目接口層采用鴻蒙庫自帶的I2C驅動和UART驅動。內核，是一個操作系統的核心。是基于硬件的第一層軟件擴充，提供操作系統的最基本的功能，是操作系統工作的基礎，本次采用開源鴻蒙系統。
（2）軟件系統分析
首先，MCU初始化后，利用心電模塊采集心電，然后利用小凌派內置ADC采集LM770溫度模塊，然后利用IIC協議獲得MPU信息，然后將數據通過藍牙上傳至電腦端，上位機上實時顯示采集的數據
（3）LMT70溫度計算原理
由圖可得LMT70輸出電壓傳遞函數看起來是線性的，但仔細觀察可以發現，它確實不是線性的可以用二階或三階傳遞函數方程更好地描述。
在較寬的溫度范圍內，最精確的單方程是三階傳遞函數。利用最小二乘和法，生成了一個最佳擬合的三階傳遞函數:
其中a、b、c、d取值如下表所示：
單位是mV：
單位是℃。
（4）加速度計對于運動距離與運動步數原理
我們通過計算三個加速度的矢量長度，獲得一條步行運動的正弦曲線軌跡。
第二步是峰值檢測，我們記錄了上次矢量長度和運動方向，通過矢量長度的變化，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行比較，如果是相反的，即是剛過峰值狀態，則進入計步邏輯進行計步，否則舍棄。通過對峰值的次數累加可得到用戶步行步伐。
最后是去干擾，人體最快的跑步頻率為5HZ，也就是說相鄰兩步的時間間隔的至少大于0.2秒，我們設置了時段在記步過程中我們過濾了高頻噪聲，即步頻過快的情況。同時我們通過和上次加速度大小進行比較，設置設立一定的閾值來判斷運動是否屬于有效，有效運動才可進行記步。
（5）心電波形監測技術
確檢測與識別心電信號的特征點以及特征波形，是完成心電信號分析和診斷的基礎，其準確性決定了最終的診斷結果。心電信號完成預處理后，需要進行波形以及特征點的檢測，通過對提取的特征參數進行分析，便可獲得患者心臟狀況以及病患情況一個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，包括疾病和正常狀態，都有一定的心電波形特征與之對應，主要體現在波形形態與波形參數中。正常人體心電波形的形態、幅值以及時間間隔都具有一定的范圍，如果某一時刻的心電信號出現異常，便可根據波形的特征和參數進行分析，從而判斷疾病的發生與否.通過對心電信號的特征點和各波形進行檢測、定位，提取特征波形和相關參數，便可實現心電的自動化檢測與分析。在一個完整周期的心電信號中，QRS波群是最重要的子波。QRS波形幅值大、周期長、容易檢測，在對心電信號的分析過程中，該波形的特征參數常常作為心電信號檢測與分析的重要依據到。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，具有很強的代表性。因此，幾乎所有的ORs波形檢測是先實現R波的檢測與定位的基礎上實現的。目前，大多數工程應用中常常采用時域分析法實現心電信號波形的檢測與識別。
5、項目總結和展望
這個設備在一定程度上可以降低患者醫療成本，緩解醫院就 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 活中為人們提供運動安全上的保護，對實時監測甄別患者的心電 情況起到了良好的輔助作用，能實時的為醫生提供動態有效的參 考數據，提高了數據的可靠性以及診斷的準確性和實時性。
并且我們將該系統產品化，使之變得更加便攜，甚至可以隨 時隨地測量自己的身體狀況，操作簡單。因此，研究設計出一套
能夠實時測量動態的心電信息，人體體溫信息，和日常活動步數 的智能動態心電監測系統具有極其重要的社會價值，經濟價值和 市場需求。
