电子脉搏的应用现状基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪

王慧媛,蒋敏兰

（浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004）

针对目前心血管疾病严重威胁人类健康,且在我国的发病率与死亡率居高不下的现状，设计了基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪。下位机选用Arduino为主控芯片，将脉搏心率检测模块检测到的脉搏信息通过串口发送给LabVIEW上位机，上位机对接收到的数据进行处理并显示动态脉搏曲线，同时将脉搏测量结果显示在上位机前面板。该检测仪可实现对脉搏和心率信号的采集、显示、波形回放和存储，与物联网技术结合可以实现远程监测。测试结果表明，该检测仪测量误差不超过1%，利用该仪器可及时了解被测者的身体状况。

LabVIEW；Arduino；脉搏检测；心率检测；串口通信

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率、节律等方面的综合信息，反映了人体心血管系统中的许多生理病理特征，是临床诊断和治疗的重要依据［1］。数据显示，我国心血管疾病的发病率和死亡率持续上升，约300万患者每年死于心血管病，几乎每3个死亡的人中就有1人是心血管病，心血管疾病已成为人类健康的头号杀手［2］。

目前，国内外在脉搏检测方面已经开展了大量工作，脉搏测量技术也越来越先进。过去医院临床监护和老年保健中常用便携式电子血压计，但其在利用气泵加减压过程中会使患者不适，且存在体积庞大、检测精度低等缺点；而近来研发的多种无创非接触式仪器能够自动消除系统误差、测量精度高且能够实时显示病人脉搏信息，但此类仪器多用于大型医院且价格昂贵，不适合广大消费者的使用［2］。本文提出的基于Arduino和LabVIEW的脉搏心率检测仪利用美国NI公司开发的LabVIEW图形化编程开发平台［3］，设计了简明、直观、易用的上位机显示界面，精度高，使用方便，具有广阔的应用前景。

系统由上、下位机组成。下位机由单片机系统进行数据采集、信号调理［4］。上位机(PC)基于虚拟仪器图形编程软件LabVIEW8.0 编制软件程序,实现脉搏信号的数据读取、滤波、脉搏频率计算、波形显示等功能［5］。上、下位机通过RS232串口通信。系统框图如图1所示。

2下位机设计

2.1传感器选型

传统的脉搏测量方法主要包括三种：一是从心电信号中提取脉搏信号；二是利用测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法测量［6］。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。本设计选用集成化脉搏传感器A27pulsesensor，它是利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同即光容积法来进行脉搏的测量，具有方法简单、可靠性高且佩戴方便的特点。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。图2右为A72脉搏心率检测模块。

2.2Arduino单片机

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能够通过AD对传感器信号采样处理，并将数据通过串口发送至LabVIEW平台。其与脉搏心率检测模块一起构成了本设计的底层硬件。图2为底层硬件结构。

2.3基于Arduino的硬件程序设计

由于心率检测模块的输出信号为0~5 V的电压信号，因此只需要利用Arduino的一个模拟信号输入端口将0~5 V的模拟信号转化为0~255的数字信号，即可实现对脉搏信息的采集，同时通过RS232串口协议将信号传送到LabVIEW上位机。

3上位机设计

3.1基于LabVIEW的算法设计

LabVIEW通过串口接收到下位机发送的脉搏数据，为了得到准确的心跳频率，把接收到的值与前两个数据进行比较，分别获得数据流中最大值时间tmax和最小值时间tmin，因此心脏实际的跳动周期为：

T=|tmax-tmin|

如图3所示为脉搏心率检测流程图。

3.2基于LabVIEW的上位机设计

上位机设计采用LabVIEW8.0进行图形编程。LabVIEW软件提供了有关串口设计的VI［7］，可以实现串口的配置、读写和中断等功能。同时充分利用其强大的数据处理能力，实现对脉搏波的采集、滤波、显示、波形回放、存储等功能，如图4所示为上位机软件界面，图5所示为LabVIEW后面板图形编程。

4测量结果及误差

表1为6例检测心率的样本结果与采用购买的标准仪器测量结果的对比及误差，样本来自无疾病、无精神障碍的大学生。其中：

测量误差=|实测值-标准值|/标准值

由表1可知，本设计误差不超过标准值的1%。

5结论

本文利用脉搏心率传感器、Arduino单片机和LabVIEW平台设计了一款低成本、低功耗、操作简单、界面美观的脉搏心率检测仪，实现了以下功能：

(1)下位机数据采集处理以及数据发送；

(2)LabVIEW上位机接收数据并实现心电图显示、数据存储及波形回放；

(3)定时计算心跳频率并显示；

(4)绘制心形曲线。

在当前互联网+的模式下，尤其是网络技术高速发展推动虚拟仪器及其相关领域快速发展的情势下，本设计更加符合社会消费理念和广大消费者的生活需要。

参考文献

［1］罗志昌，张松，杨益明．脉搏波工程分析与临床应用［M］．北京：科学出版社，2006．

［2］许雪楠，梁晋涛，黄邦宇. 基于STM32 的健康一体机控制系统的设计［J］.微机型与应用， 2013，32（16）：2022，25.

［3］李能禾，成谢锋. 基于LabVIEW和MATLAB的心音检测与小波去噪［J］.微机型与应用, 2010,29(1):69.

［4］韩军. 基于LabVIEW的脉搏信号检测系统［J］.微计算机信息,2011,27(5):5859.

［5］姚峰,乔晓艳，董有尔. 基于LabVIEW的无创脉搏血氧检测系统设计［J］.山西大学学报(自然科学版)，2010，33(1)：9296.

［6］吴素花.张永寿. 基于虚拟仪器的心率检测［J］.中国医学装备，2015(4)：4748.

［7］杨丹，丁梦晓，郑磊，等.便携式脉搏血氧饱和度测量仪的研制［J］.微型机与应用，2015，34(22):9295.

基于碳纳米管微电极的光纤电子纺织技术开发手指脉搏监测器应用

基于碳纳米管微电极的光纤电子纺织技术开发手指脉搏监测器应用

【导读】：

可穿戴设备的进步使电子纺织成为可能，这种纺织将轻巧舒适的纺织品与智能电子技术融合在一起，并作为下一代可穿戴技术而受到关注。尤其是，具有电子特性的纤维电子设备在保留纺织品的特定特性的同时，是制造电子纺织品的关键要素。光纤光学器件用螺旋包裹碳纳米管微电极，超越了几何限制，可应用于智能可穿戴电子纺织品应用。

通常使用半导体，电极和绝缘体的层来构造光电子器件。它们的性能在很大程度上受到电极尺寸和结构的影响。用于电子纺织的纤维电子元件需要在细而柔软的线上制造。光纤光电技术近来引起了人们的关注，因为它启用了可穿戴电子设备的各种形状因数，并且如何控制和优化微纤维设备中电极微图案的配置和物理特性的问题变得很重要。在此，展示了具有受控尺寸的螺旋缠绕碳纳米管（CNT）微电极用于高性能光纤光电器件。

韩国科学技术研究院（KIST）的后硅半导体研究所的由Hyunjung Yi博士和Jung Ah Lim博士领导的一组研究人员宣布，他们已经开发出一种制造光纤电子组件的技术，例如作为晶体管和光电二极管，通过包裹具有所需的电极结构。具体地，可以使用喷墨打印机来制造期望的电极阵列，并且将涂覆有半导体表面的电极线卷绕在这些电极的顶部上。

易博士及其研究团队于2019年开发了一种技术，通过在由亲水性水凝胶制成的模板上印刷碳纳米管（CNT）墨水并将CNT墨水转移到所需表面上，从而在给定的表面上构建电极阵列（Nano Letters，"用于光纤电子设备的螺旋缠绕式碳纳米管微电极超出了几何限制，可应用于智能可穿戴电子纺织应用"））。

通过将电极印在水凝胶上并在电极上滚动纤维（左）来转录电极，通过在纤维上插入转录光电二极管，将指尖的特征和实际心脏测量应用于指尖的光遥测流量（右）。

一旦印在水凝胶上，CNT电极的行为就类似于在水上漂浮。因此，研究人员预测了通过在电极上滚动纤维将这种电极完整地转移到纤维表面的可能性。在与Lim博士及其团队的合作研究中，研究人员能够开发高性能的光纤电子组件，而不会损坏半导体层或CNT电极。包裹有CNT电极的光纤晶体管即使在1.75 mm的急剧弯曲半径下也能保持至少80％的稳定性能。

利用CNT电极的半透明特性，研究人员还成功地开发了光纤光电二极管来检测光，方法是将CNT电极缠绕在涂有半导体的电极线周围，该电极线在吸收光时会产生电流。光纤光电二极管可以检测大范围的可见光，并且具有与刚性组件相当的出色灵敏度。