0 引言

随着公众健康意识的提高，睡眠-呼吸暂停综合症的危害逐渐受到人们的重视，由于睡眠-呼吸暂停综合症使睡眠呼吸反复暂停，造成大脑、血液严重缺氧，形成低血氧症，从而加重大脑、肌肉组织缺氧风险[1]。研究表明[2]夜间呼吸暂停时间超过120秒有极高的猝死风险。与此同时，临床治疗中，医生通常只能根据病人描述制定相应诊断方案，在后续治疗过程中，往往依靠病人口述或医生经验判断制定相应的治疗计划[3]，无法较为直观的观察病人预后状况，对治疗方案的效果无法做出有效评估。

为解决上述问题，提出了一种基于声音采集的人体睡眠呼吸检测方案，可用于夜间采集并存储人体呼吸睡眠数据，配合相应算法可直观的显示和判断出病人睡眠呼吸频率、强度等信息，为医生后续治疗方案的制定提供参考依据。

1 系统总体设计方案

本系统是基于声音采集方案的呼吸睡眠监测系统，主要由信号放大、采集数据存储和数据处理三个模块组成，图1为整体框图。在采样系统通电后，采集系统自动开始工作，控制器以特定频率读取放大模块输出信号，当采集到一定数据量之后，控制器开始向存储器中写入一次数据。系统设计连续工作时间不小于8小时，即数据存储模块至少能保存8个小时的数据量。在工作状态下状态指示灯以固定频率闪烁，以提示用户系统正在工作。

在数据处理方面，采用Matlab编程实现数据读取、呼吸频率分析计算和波形显示。数据分析主要采用微分阈值法标记出峰值点，进而计算出睡眠呼吸频率。根据数据分析结果和波形显示图形可生成病人呼吸睡眠检测报告，供医生分析和判断治疗效果。

  

图1 整体框图

2 器件选型

由前所述，本系统需要至少连续工作8小时，在采集人体呼吸睡眠数据同时，需要做到实时保存，数据量较大。在使用过程中，设备应靠近人体面部鼻腔区域，这就要求采样设备的体积应尽可能做到小型化、便携化。在MCU选型以及采样电路上应尽量做到低功耗设计[5]。采集系统选用STM32F103RCT6平台作为控制核心，STM32F103RCT6是意法半导体推出的基于ARMCortex-M3内核的低成本、高性能微处理器[4]。在配置外部晶振时具有最高72 MHz的主频，内部集成RC振荡器，在硬件上不连接外部晶振情况下，系统默认使用内部晶振，此时最高可倍频至36 MHz。其芯片内部集成高速SPI模块，最高速度可达到18 MHz。

战乱时期，父亲把工厂迁到武昌区法租界里。1941年太平洋战争爆发，日军立即没收了英法美等租界的全部资产，我父亲的企业落在汪伪政权手中，家中生活来源断绝。父亲经常与老乡躲在一边听收音机短波，盼望把日本鬼子赶出中国，但他没能看到这一天。生活的苦难摧残父亲的健康，他的肺病日渐严重。

f_close(&fnew); // 及时关闭文档，防止数据异常

声音传感器选用微型驻极体式话筒，其体积小，结构简单，是一种广泛应用的声音传感器。信号放大模块采用内置低噪声麦克风偏置的MAX9812[6]，其具有封装尺寸小、外围电路元器件少等优点。直接使用主控芯片STM32F103RCT6内置的ADC作为采样接口，保证精度的同时节省了外加采样芯片和外围电路的空间。

2.1 声音传感器和前端放大电路

驻极体式微型话筒广泛应用于微型录音器、广播话筒及声音控制器等电路中，是市面上较为常用的电容式话筒。其输入和输出阻抗很高，在驻极体式微型话筒外壳内有一个作为阻抗转换器的场效应管[7]。驻极体话筒工作原理[8]：当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，这就转化成在声波带动下，振动的驻极体膜片与金属极板间距离在不断的变化，根据电容电压与电容容量关系可知，其电容上的电荷也在不断的变化(U=Q/C)，进而金属基板上的电压也在随着声波不断变化。另一方面，由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小(通常大小在几十皮法左右)，根据电容阻抗与容量关系(XC=1/2πfC)，可知驻极体话筒输出阻抗值很高，通常在几十兆欧以上。这样高的阻抗很难与放大器相匹配，所以在话筒内内置了一个结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。通过输入阻抗非常高的场效应管将变化电容两端的电压分离出来，在分离的同时又可起到信号放大的作用，就得到了和声波变化相对应的输出电压信号。驻极体话筒内部的场效应管为低噪声信号专用器件，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD[8]，起到“抗阻塞”作用。

uint32_t SystemCoreClock = HSI_VALUE; //设置内部晶振大小

  

图2 前端放大电路

6引脚IN引脚为信号输入引脚，声音通过驻极体式微型话筒将信号转化为微弱电流。5引脚串联个2.2 kΩ的电阻起到电压补偿作用，能确保在多种供电电压下正常驱动麦克风工作，并降低电压的波动对信号处理的影响。3引脚为信号放大后的输出引脚，电容C5起到滤除共模干扰的作用。前置放大电路输出直接接入微型控制芯片的ADC引脚。

2.2 采集和控制单元

STM32F103是意法半导体推出的基于ARMCortec-M3内核的低成本、高性能微处理器系列，具有体积较小，工作稳定、低功耗等特点。为了减小PCB尺寸，可省去外部晶振的空间，可直接配置使用内部晶振，在本系统PCB中预留了晶振位置以作测试和备用。在使用内部晶振情况下设置系统工作频率为36 MHz。配置核心代码为：

textFileBuffer[4+5*i]= ' ';// 加入分隔符，以空格为分隔符

MAX9812是音频信号常用的前端放大电路采用单输入、20 dB固定增益的麦克风放大器，在3.3 V电压下其有两种型号MAX9812L和MAX9813L，是专为工作于3.3 V电源下而作了优化(适用2.7 V至3.6 V电源)，其封装尺寸仅有0805封装的贴片电阻大小，为pcb布局提供了极大的便利，内置低噪声麦克风偏置，增益带宽积为500 kHz，输出可达满摆幅，具有极高的100 dB电源抑制比，极低的总谐波失真加噪声THD+N (0.015%)[8]。低功耗设计：仅230 μA的电源电流，在关断模式下，整体电流在100 nA以内。鉴于其固定增益特点，外围电路较为简单，其原理图见图2。

负荷加载分析(Loadings)与PCA分析是相关的，基于同一种算法，区别在于Loadings分析是针对电子鼻传感器贡献率进行研究。电子鼻共有10个传感器，不同传感器可以反映样品中挥发性气味的响应值，传感器数值离原点越远，说明该传感器识别能力越强，反之则越弱。由图2可知，在第一主成分中，W1W传感器识别作用最强，其次是W2W传感器，这2个传感器与其余传感器相比，距原点的距离明显较远，识别能力强。在第二主成分中，W5S传感器距原点距离明显远于其余传感器，综合来看，W5S、W1W、W2W传感器对9种辣椒品种的辣度评价起到了主要作用，这与图1中的辣度均值分析结果相吻合。

总之，在新形势下，必须树立以人为本的理念，强化为学生服务的意识，构建有利于推动课堂教学和教学模式改革，培养学生创新能力的现代教学管理制度和弹性灵活的教学运行机制。充分体现个性化、人性化的教育理念，构建教师教学激励机制，尊重教师的个性风格与独创精神，保障教师的教学自主权，鼓励教师锤炼精品课件。通过加强自身教学语言魅力、课堂设计和教学方法创新，充分体现大学课堂的专业魅力，使教师主导与学生主体在研究性教学中真正融为一体，对客观世界进行充满想象力的探索。

SystemInit ()；//配置相关寄存器，倍频至36 MHz。

预算考核有两部分组成，分别是期末决算和财务会计预算，为了保证这两项工作的执行情况，企业应该制定科学有效的绩效考核标准，这样在进行预算考核时才能够有效的执行，进而保证经济管理的高效性。而在加强预算考核过程中，企业应该把负责每项任务的工作责任具体化和个人化，并要重视预算考核在分析过程中可能造成差异的因素，以此及时做出调整和改动预算方案，进而确保企业财务会计工作的科学性，促进企业的经济管理发展。

STM32F103RCT6内置ADC模块是一种逐次逼近型的12位ADC模拟数字数字转换器，具有多达18个通道，最多可测量16个外部和2个内部信号源[4]。本系统采用ADC的第8通道进行采集音频信号，ADC工作频率6 MHz，采样频率500 Hz。

2.3 存储模块

res = f_open(&fnew, name, FA_READ | FA_WRITE | FA_OPEN_ALWAYS );

本系统在STM32中添加FATFS系统，实现对Micros-SD卡的读写，存储模块Micros-SD卡与Stm32采用spi接口进行通讯,， SD卡SPI通讯模式下，需要四个上拉电阻，分别是片选信号SD_CS、MOSI、MISO和时钟信号SCK，连接图见图3。

  

图3 Micro-SD卡spi通讯连接图

3 软件设计

本系统软件设计主要是MCU软件设计和Matlab算法设计，MCU软件设计以声音信号采集、数据存储为主要内容。Matlab分析算法设计主要使用微分阈值法对数据进行处理，以计算呼吸频率。

3.1 MCU软件设计

MCU软件设计主要涉及信号采集控制和存储部分。其中以数据写入为难点。使用ADC1的通道8进行采样，采样频率500 Hz，每采集200 ms保存一次数据。数据存储格式为TXT格式，以ASCII码形式存储采样数据，将每次采集到的电压数据分别按位转换为四位ASCII码数据的形式，并加入分隔符，数字‘0’的ASCII码值为48，即分别对每次采样到的数字量按位进行转换时，加上48即得到其ASCII码形式。具体实现程序为：

{

adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_8,2);//读取ADC数据

delay_ms(2);

textFileBuffer[0+5*i]=adcx/1000+48; //千位 textFileBuffer[1+5*i]=adcx%1000/100+48;//百位 textFileBuffer[2+5*i]=adcx%1000%100/10+48;//十位 textFileBuffer[3+5*i]=adcx%1000%100%10+48;//个位

define HSI_VALUE ((uint32_t)8000000) ；//配置内部晶振大小为8M

i++;

随着互联网技术的高速发展，自动化控制在农业灌溉中的应用也得到了普及，林赛公司提前推出了具备快速、方便等特点的FIELDNET远程控制系统。

综上所述，与瑞舒伐他汀相比，阿托伐他汀对老年患者冠状动脉造影术后肾功能更具保护作用，且 CIN 的发生率更低，这一保护作用在≥70岁的高龄患者中更明显。所以对于基础肾功能相对较差的高龄患者，选择阿托伐他汀可能比瑞舒伐他汀更合理、有效。本研究对于当前临床工作中他汀类药物的选择具有一定的指导意义，但仍需要进一步的临床试验验证。

if(i>=100)

{

write_to_txt(textFileBuffer,buff_size);//写入SD卡

i=0;

于是始胠其橐，得故先君子时所藏与熹后所增益者，凡数十种，虽不多，要皆奇古可玩，悉加标饰，因其刻石大小，施横轴，悬之壁间，坐对循行卧起，恒不去目前，不待披筐箧卷舒把玩而后为适也。盖汉魏以前刻石制度简朴，或出奇诡，皆有可观，存之足以佐嗜古之癖，良非小助。其近世刻石本制小者，或为横卷若书帙，亦以意所便也。盖欧阳子书一千卷，赵氏书多倍之，而予欲以此数十种者追而与之并，则诚若不可冀，然安知积之久，则不若是其富也耶！姑首是书以俟。

}

为了方便Matlab读取数据，采用固定大小文件方式处理，当生成的TXT文件大小大于3 M，即生成新的TXT文档，名称依次为000,001,002...一直到255。

  

图4 写入流程图

在写入过程中先判断文件大小，如果文件大小小于设定值就把指针指向文件末尾，执行写入操作，如大于设定值大小，名称加1，生成新文件写入，流程框图见图4，核心代码为：

FATFS是一个专门为小型嵌入式系统设计的通用FAT(File Allocation Table)文件系统[9]。是一个开源的文件系统，广泛应用于各种嵌入式小型文件系统，FatFs 的编写遵循ANSIC，并且完全与磁盘I/O层分开。因此，可独立于硬件系统。它可以被嵌入到低成本的微控制器中，如Stm32, 8051, PIC 等等，只需编写相应底层接口操作即可，而不必去关注的存储器扇区等繁琐的环节。 Micros-SD卡是一种常用的微型存储器，以其体积小、容量大、使用方便等特点广泛应用于便携式播放器、数码相机、移动电话等领域。有两种模式可以实现Micros-SD卡与STM32通信，分别是SPI通信与SDIO模式[10-11]，相比之下，SPI模式下只需要一根时钟线两根数据线即可实现通讯功能，符合本系统微型化要求，对比分析后本系统采用SPI模式实现Micros-SD卡的读写。

//依名称”name”打开文件，初始化指针工作域。

res = f_lseek(&fnew, f_size(&fnew)); //操作指针指向文档末尾地址

size= f_size(&fnew); //获取文件大小

{

1．组织投入专门人力物力，服务在院培训学员安装使用。在主要的教学楼宇摆放了印有平台上线消息的易拉宝，吸引学员下载安装；课前进入重点培训班发放宣传册，播放宣传片并协助大家安装使用；精心策划运营了领导力、行动学习、十九大精神解读等主题学习活动，在教室张贴季度主题活动海报，学院师资在平台上与学员互动，通过院刊、学院网站发表活动消息，得到学员热情参与。

res = f_write(&fnew, textFileBuffer, n, &bw); //写入操作

(2)研究区西南部NWW向的高山岩体及其隐伏岩体分布区后期岩浆活动较少、岩体相对较单一；而在研究区北东部的近EW向宝山岩体及其附近后期构造发育、岩浆活动频繁，成矿地质环境较前者更为有利，具备寻找多种成因类型矿床的条件。

由于需要采样时间超过8小时，数据量达到几百MB，兼顾PCB体积要求，选用大容量Micro-SD卡以满足采样数据存储功能，其具有小型化封装、可热插拔等优点，方便后续数据读取。

}

涉及文件名称改变的的代码为：

if (res == FR_OK) // 写入指针成功指向文档末尾

教育理论与实践的关系是教育研究的一个基本问题，在微课设计的实践中，微课作者遵循的理论是建构主义和认知负荷理论。

if( size>txtfile_size)// 判断是否大于设定值

两试验均采用大区对比设计，每处理1 320 m2（22 m×60 m）不设重复。试验田施种肥磷酸二铵525.0 kg/hm2+尿素 112.5 kg/hm2，追施尿素 750.0 kg/hm2。生育期间浇4水。

{

name[20]=1+name[20]; //名称递增1.

1.3 试验方法 试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积15 m2；株行距为27 cm×35 cm，每塘留2株，种植密度21.0万株/hm2。10月15日播种，统一采用打塘直播的方式，氮、磷、钾及硼肥统一按：底种肥施普钙450 kg/hm2；硼砂(纯B≥9%)15.0 kg/hm2；苗肥施硫酸钾150 kg/hm2，苗期及蕾苔期共施尿素600 kg/hm2。试验地四周设保护行，对油菜出苗期、五叶期、苔期、花期及成熟期进行观察记载。成熟后按要求取样，进行主要农艺性状考种。及时收获、脱粒、称重计产，并用FOSS 近红外品质分析仪进行室内品质检测[6-8]。

}

3.2 Matlab软件设计

微分阈值法是一种较为常用的峰值检测算法，广泛应用于心电信号QRST波的检测[12-13]，同样可以使用此方法对采集到的音频信号做进一步处理以检测出峰值。

微分阈值法基本原理是：一阶微分极值即为数据上升或下降沿斜率最大处，找到此处坐标，即可在一定范围内加窗即可确定采样信号极值。首先对序列做一阶微分并对其取绝对值运算；其次设置一个既低于微分峰值，又明显高于微分峰值以外部分干扰尖峰的阈值(如取微分数据最大值的60%)，将一阶微分值与阈值相比较，当一阶微分值大于阈值时，以数据在微分序列中的位置作为标记点，在标记点附近加窗(如窗长度以标记点前后50个数据点为界限)，在窗函数内检测微分数据的最大值，即得到一阶微分极值，在一阶微分极值点基础上，用同样的方法加窗确定采样数据的极值，即可确定出采样信号的最大值[13-14]。整体流程框图见图5。

  

图5 微分阈值法流程图

4 系统测试与数据处理

4.1 系统测试

本系统采用两节七号普通电池供电，经测两节电池串联电压电压为3.2 V，且电池供电具有纹波小的优点，ADC的参考电压Vref稳定，保证了较高的采样精度。测试环节，通过播放下载好的打鼾声来模拟采集睡眠数据。测试时将播放器放置在距离声音传感器3 cm处，采集时长10分钟。首先测试内部晶振误差。在使用外部晶振和内部晶振情况下，均配置系统工作频率为36 MHz，工作时间一小时，在使用内部晶振和外部晶振生成数据大小大约在8843～8890 kB之间，根据测试结果可知，内部晶振与外部晶振精准度在99%以上，使用外部晶振与使用内部晶振对本系统工作状态影响极小，说明整体方案中使用内部晶振是可行的，结果见表1。

 

表1 数据大小测试 (单位kB)

  

数据内部晶振外部晶振精度测试18843889099．4%测试28870882299．6%测试38845885299．9%

根据MCU软件设计，每秒钟采样产生500个数据采集点，转换成ASCII后并在两两数据点之间加入分隔符，每秒钟存储到Micros-SD卡中数据为2500字节，即数据生成量为2.5 K/S，由此可计算出连续工作一小时生成数据量为9 M字节，经过实验，测试到一小时实际生成数据量大约为8.8 M，根据写入流程推算，可推测误差的主要来源是主控芯片与Micros-SD卡通讯的时间损耗。

4.2 微分阈值法寻找极值点

Matlab可直接读取音频数据，对音频做频谱分析[13,15]，利用上述微分阈值法可以在时域图中标记相应峰值，与本系统采集到的波形做比对，以评价本系统的采样误差。采样音频波形如图6所示。上部为一阶微分取绝对值后的波形，底部为时域波形。横轴为采样时间点，读取间隔50 μs，即总时间为10 s，纵轴为幅度比，f为幅度量。

从不同类型景区的网络关注度来看(图4),2016年人文景区7月、8月并未出现高峰,可见大部分师生暑假出游,偏好选择自然景区,所以自然景区就需要在此期间做好游客数量增多的准备．10月出游高峰期过后,11月、12月和1月进入低谷,同全年相比,这3个月淮海经济区天气较为寒冷,是造成出现低谷的原因之一．

  

图6 采样数据波形

以每分钟极值次数为睡眠呼吸频率，根据系统的采样频率计算两个极值间的时间差，进而推算出一分钟的呼吸次数。实验结果表明，本系统采样精准度在90%以上，达到采集人体呼吸睡眠数据的要求。采样测试数据见表2。

 

表2 呼吸频率比对表

  

原始数据采样数据精度频率(次数/分钟)12．489911．497492%9．95419．852298%9．483610．092594%10．07679．985499%9．48998．858592%9．854110．331495%9．48368．671491%平均值10．19．694%

5 结束语

本系统基于声音采集方案，利用STM32平实现数据采集和存储，结合Matlab进行数据读取和分析，实现了对病人呼吸状态的检测和处理，系统工作稳定、可靠且具有小型化、低功耗的优点，满足呼吸暂停综合症患者夜间的监测需求，可为医生判断患者病情提供参考。

参考文献：

[1] 王海英.睡眠呼吸暂停低通气综合征的临床诊断与治疗[J].基层医学论坛,2005,9(5)：406-407.

[2] 马春燕, 陈志军. 呼吸睡眠暂停综合征病情严重程度的影响因素及护理[J]. 当代护士旬刊, 2016(2):21-23.

[3] 吴 超.一种无线睡眠呼吸暂停综合征筛查终端设计[D].广州：南方医科大学,2014.

[4] 张淑清,张立国,金海龙.嵌入式单片机STM32设计及应用技术[M]. 北京：国防工业出版社, 2015.

[5] 芮晓勇. 可穿戴多生理参数监护节点及其关键技术研究[D]. 重庆：重庆邮电大学, 2016.

[6] 黄紧德.多路完全同步采样的声信号采集系统的设计与实现[J].软件,2013, 34(2):17-21.

[7] 张云坤.驻极体式传声器的使用与检测[J].家电检修技术,2005(17):59-60.

[8] 贺志坚,欧阳毅,郑虎鸣,等.驻极体电容振动拾音器(ECVP)[J]. 电声,2017,41(3):27-30.

[9] 李世奇,董浩斌,李荣生.基于FatFs文件系统的SD卡存储器设计[J].测控技术,2011, 30(12):79-81.

[10] 秦 伟.STM32的FatFS在数据采集系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用, 2015(6):55-58.

[11] 廉嘉伟.基于STM32和FATFS的PM2.5数据采集系统[J].数字技术与应用, 2016(12):74-75.

[12] 朱明善,曾碧新.基于Android智能手机的血氧饱和度、心率、呼吸频率监测系统设计[J].中国医疗器械杂志,2015,39(3)：183-186.

[13] 高鲲鹏. 一种改进的连续血压算法研究[D]. 天津：南开大学, 2015.

[14] 余佳兵,史铁林.窗谱校正方法的实用峰值搜寻算法研究[J].振动工程学报,1996(J),9(4):378-382.

[15] 程建峰. 基于MATLAB的连续信号的采样与重构仿真分析[J]. 无线电工程, 2015(6):35-37.