穿戴式躯感网系统的设计与实现
编者按： 摘要：随着现代社会老龄化人口比例增加，以及老年病、慢性病等疾病在医疗服务中占的比例上升，传统的医疗监护服务由于监护设备的穿戴复杂性、携带不方便性，已经不能满足现代社会的需求。为了解决老年人的医疗保健问题，我们设计穿戴式躯感网系统来对老年人的健康状态进行连续实时监测，该系统通过生理数据采集模块采集数据，然后通过通信模块将数据传输到躯感网中心点，实时显示ECG、SPO2、心率、呼吸率、脉率、体温等一些信息，并对可能出现的异常情况采取报警处理。最后，通过大量的实际测试证明了该设计方案有效可行，具备可穿戴性、
在本模块中，选取 STMicroelectronics公司的STM32F103作为主控芯片，它是为嵌入式应用专门设计的基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的一款芯片。选择ADAS1000作为心电信号采集信号芯片，ADAS1000芯片具有高集成度，并且所有的模拟信号处理都是在ADAS1000芯片内部完成，这样就使心电模块模拟前端的元器件明显减少。图3是三导联心电模块的PCB板。ADAS1000的4个ECG电极测量通道上总功耗仅15mW，并且可以在不用某些通道的情况下将其禁用来降低功耗，使功耗降低至11mW。该三导联模块与传统的心电采集模块相比，去除传统的每导联上的心电信号增益电路、滤波电路、ADC电路模块等许多分立器件，使心电信号采集模块更加小型化，在减少功耗的同时增强了检测信号的稳定性。
在心电信号的检测过程中，由于实际测量情况并非理想状态，难免会受到外界各方面噪声的干扰，主要有50hz工频干扰、基线漂移、肌电干扰等，这些干扰的存在会使心电信号的信噪比下降，对微弱的有效心电信号有严重的影响，影响后期疾病的诊断，因此首先需对心电信号进行滤波处理[7,8]。由于硬件滤波成本高、以及不灵活性等不足，所以对信号的滤波常常采用数字滤波方法。在本系统中心电模块软件程序主要实现了基线漂移[9]、50hz工频干扰滤波、均值滤波。在本文中，着重介绍下基线漂移算法。
基线漂移属于低频干扰信号，其频率一般小于1Hz，表现在心电信号上叠加一个缓慢变化量。基线漂移主要是由人体的移动与电机接触不良引起的电极接触噪声、肌肉收缩、运动伪迹造成的。只要能设计出足够快的跟踪和滤波方法，就能消除基线漂移，基线漂移滤波的方法有很多种，如中值滤波、曲线拟合法、FIR高通滤波法等。在本系统中，设计一个IIR低通滤波器，其滤波器的函数原型表达式如下：
yn=(xn-yn-1)/m+yn-1
上式中，xn为原始ECG信号第n时刻的采样值，yn为经过基线漂移滤波后的心电信号值，m是一个常数。经过实际试验多次调整常数m，最后取m=512(ECG心电信号采样率为200Hz)，图4为原始的ECG波形，图5为经过基线漂移后的ECG波形。
三导联心电模块的低功耗、电池供电，以及我们采用的基线漂移抑制、数字滤波等算法，降低了噪声干扰的影响以及人体运动的干扰，可以使得在心电信号检测过程中人体处于自然状态，检测得到的心电信号能够更真实的反应人体生理状况，这样更能帮助医生做出准确的诊断。
1.1.2 数字血氧模块
数字血氧模块[10]采用指夹式数字血氧探头，探头中的光频率转换器输出为脉冲信号，从而让血氧模块硬件电路省去了模拟转换器等器件，使模块更加小型化。该模块主要完成数据的采集和血氧饱和度、脉率的计算，并将这些生理数据通过通信模块发送到躯感网中心点。数字血氧模块的系统结构图如图6所示。
血氧饱和度为70%-100%时可达到精度为2%、运动或弱灌注情况下为3%，脉率检测的误差小于2，并且具有极小的体积。
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