基于MQTT协议的远程实时心电设备的设计与研究

摘要

心血管疾病对人类健康一直有很大的威胁，由于其偶发性、隐蔽性、突发性等特点，导致了它的发病率和死亡率在众多疾病的前列。按照《中国心血管疾病报告2018》数据显示：该病的患病率仍然呈现上升趋势，预计现在有2.9亿患者，这表明我国每5个人就有1个人是心血管疾病患者。2016年它的死亡率超过肿瘤和其它方面的疾病，仍居首位。当今快的生活节奏和各大公司的加班文化使得当代年轻人的工作压力太大，年轻一代的上班族大多数在饮食和作息上不规律，导致身体长期处于亚健康状态。患者明显开始趋于年轻化，发病次数增多，猝死悲剧频频发生。目前预防和保健为主要的应对措施，为此心电设备出现了。传统心电设备有着携带不便、交互性差、软件维护困难、可扩展性差以及UI设计不美观等问题。所以设计一款新型的便携式远程心电设备具有十分重要的意义。　　为了克服传统心电监护设备的不足，本文结合嵌入式产品的优势，设计了一款基于MQTT协议的远程手持嵌入式心电设备。在硬件上，它包括“中继+胸贴”两个子设备：中继设备主要由基于Cortex-M4内核STM32F429IGH6作为MCU，EC20R2.1作为4G模块，NRF5182多协议蓝牙低功耗2.4GHz芯片作为蓝牙传输模块；胸贴设备主要由胸贴电极、ADS1292IRSM、NRF5182蓝牙模块以及BMA250加速度传感器组成。在软件上，它采用MVP(Model_View_Present)设计模式使得界面与数据在各自模块处理，降低了耦合，实现业务逻辑与视图逻辑的分离；并在软件上使用模块化编程，提高代码的重用率，解决了后期代码维护以及功能扩展的问题。在UI设计上，采用基于STemWin框架进行UI开发，设计出画面优美，操作简便的人机交互界面。数据传输上设计了基于MQTT协议的数据帧格式实现心电数据传输的安全可靠。　　整个系统由胸贴采集心电数据，然后发送给中继系统，中继使用4G发送给服务器进行心电分析，通过心电数据预处理、QRS探测以及节拍分类得到可靠的心电报告，最后将心电报告下发给中继进行显示。通过系统测试证明了基于“中继+胸贴”的远程心电设备的设计方案是合理可行的。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 心电图的发展起源

1.2.2 远程医疗的发展进程

1.3 论文主要内容概括以及全文章节安排

1.3.1 本文主要研究内容概括

1.3.2 论文全文章节安排

第 2 章 心电学基本知识介绍

2.1 心电信号基础

2.1.1 人体心电产生原理

2.1.2 心电波形医学意义

2.1.3 心电信号电特性

2.1.4 心电信号噪声类型

2.2 心电信号处理技术简介

2.3 MIT/BIH 心律失常数据库介绍

2.4 本章小结

第 3 章 心电系统的硬件架构

3.1 中继设备硬件构造

3.1.1 主控模块芯片选型

3.1.2 4G 无线模块

3.1.3 蓝牙传输模块

3.2 胸贴设备硬件构造

3.2.1 数据采集模块

3.2.2 加速度传感器模块

3.3 本章小结

第 4 章 心电系统的软件架构

4.1 操作系统、GUI 在 MCU 上的移植

4.1.1 μC/OS II 操作系统介绍及移植

4.1.2 STemWin 介绍及移植

4.2 4G 网络传输模块

4.2.1 4G 模块配置过程

4.2.2 MQTT 协议

4.3 基于 MVP 设计模式的显示页面设计

4.3.1 MVP 设计模式介绍

4.3.2 首页设计

4.3.3 动态心电图页面

4.3.4 检测记录页面设计

4.3.5 设备详情页面设计

4.3.6 我的信息页面设计

4.3.7 消息中心页面

4.4 软件功能模块

4.4.1 中继蓝牙和胸贴蓝牙的自动匹配

4.4.2 报警功能

4.5 本章小结

第 5 章 ECG 自动分析算法及功耗测试

5.1 心电数据预处理

5.2 QRS 群波探测

5.3 节拍分类

5.4 功耗测试

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间申请的软件著作权

致 谢