心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中WIFI傳輸?shù)脑O(shè)計與實(shí)現(xiàn)

黃建凡，朱 為，堵國樑

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

心電圖誕生于20世紀(jì)初，荷蘭大學(xué)生理學(xué)威廉·愛因托芬教授于1903年記錄了世界上第一份人體心臟完整的心電圖［1］。近年來，隨著人們生活節(jié)奏的加快，以及工作壓力的不斷增大，心血管疾病的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年增高的趨勢，已成為危害人類健康的頭號殺手［2-4］。并具有“發(fā)病率高、死亡率高、復(fù)發(fā)率高、并發(fā)癥多”等特點(diǎn)。20世紀(jì)60年代，各醫(yī)院開始建立心電監(jiān)護(hù)室，明顯降低了心機(jī)梗死發(fā)病的概率［5-7］。隨著心電監(jiān)護(hù)室的產(chǎn)生以及移動通訊網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)也逐漸被世人所接受。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中一個重要的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)的傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過程中如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不丟幀的實(shí)時傳輸是心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵技術(shù)［8］。

1 通信方式的選擇

1.1 3種無線通信方式的比較

近幾年來，無線通信成為通訊行業(yè)的主流，無線通信減少了通信之間復(fù)雜的連線布局，不過無線通信也增加了設(shè)計的復(fù)雜性。在無線通信中，除了最近比較熱門的3 G、4 G網(wǎng)絡(luò)，近距離的無線通訊也得到了很大的發(fā)展，如 Zigbee、藍(lán)牙、WIFI［5］。

(1)Zigbee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定，是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。Zigbee的傳輸距離短;數(shù)據(jù)傳輸速率低，在2.4 GHz的頻段只有250 kb/s;時延不易確定，由于Zigbee不支持時分復(fù)用的信道接入方式，因此不能提供高質(zhì)量的實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸。

(2)藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般10m內(nèi))的無線電技術(shù)，使用IEEE802.15協(xié)議。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙高速跳頻使藍(lán)牙比其他系統(tǒng)更穩(wěn)定，但帶來的代價是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比較短，數(shù)據(jù)傳輸遇到瓶頸問題。

(3)WIFI(Wireless Fidelity，意思是“無線保真度”)是使用802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的局域網(wǎng)，定義了介質(zhì)訪問接入控制層(MAC層)和物理層?，F(xiàn)有的通信標(biāo)準(zhǔn)有 802.11a，802.11b，802.11g，802.11n 等等［9-10］。WIFI是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)(室內(nèi)100 m，室外300 m)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。

1.2 WIFI技術(shù)的優(yōu)勢

1.2.1 無線覆蓋范圍廣

藍(lán)牙的覆蓋范圍非常小，半徑大約只有15 m，而Wi-Fi的半徑則可達(dá)100 m左右，在整棟大樓中都可以使用。

1.2.2 傳輸速度高

傳輸速度非?？欤梢赃_(dá)到54 Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。

1.2.3 健康安全

IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100 mW，實(shí)際發(fā)射功率約60 mW～70 mW，而手機(jī)的發(fā)射功率約200 mW～1 W，手持式對講機(jī)高達(dá)5 W。從對比可以看出，WIFI產(chǎn)品對人體的輻射很?。?1］。

由于WIFI高速的傳輸速率，WIFI成為與互聯(lián)網(wǎng)的無線高速“接口”，在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，以無線AP作為接入點(diǎn)，患者的心電數(shù)據(jù)能快速上傳至監(jiān)護(hù)中心，并且依靠互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)資源的共享，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的點(diǎn)對點(diǎn)的模式，數(shù)據(jù)可以傳至各大醫(yī)院網(wǎng)站或監(jiān)護(hù)中心，接受多方面的醫(yī)療指導(dǎo)。結(jié)合上述遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法選擇WIFI的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以形成高速、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

2 WIFI模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 WIFI在整個心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的作用

整個心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括前端的心電采集模塊、微處理器的處理模塊、WIFI數(shù)據(jù)傳輸模塊以及服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接收與分析模塊。

心電采集模塊把采集到的數(shù)據(jù)傳給微處理器，微處理器處理后再把數(shù)據(jù)寫到WIFI模塊的緩沖區(qū)中，WIFI模塊再通過TCP協(xié)議把緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器終端。服務(wù)器端軟件實(shí)時地接收受監(jiān)護(hù)者的心電數(shù)據(jù)，并解析為心電波形。實(shí)現(xiàn)實(shí)時的數(shù)據(jù)采集傳輸與顯示。若受監(jiān)護(hù)人的心電數(shù)據(jù)成功上傳至服務(wù)器，便可以通過以太網(wǎng)傳至醫(yī)生電腦，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程分析診斷。

2.2 WIFI模塊的選擇

對WIFI模塊的選取特別重要，首先要考慮到能否與單片機(jī)之間進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。由于此監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為便攜式設(shè)備，再者要考慮WIFI模塊的體積、重量、功耗(電池供電)等問題。而且在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中應(yīng)減少數(shù)據(jù)的差錯率。本方案結(jié)合以上特點(diǎn)，選用的是 REDPINE SIGNALS公司的RS9110-N-11-22模塊。

RS9110-N-11-22模塊的體積很小，只有23 mm×29 mm;模塊工作在2.4 GHz頻段;無線速率支持802.11b/g/n，最高速率可以達(dá)到54 Mbit/s;在功耗方面:模塊在功耗模式0下不進(jìn)行節(jié)約功耗，工作電流為128 mA;在功耗模式2下模塊關(guān)閉基帶和RF模塊，內(nèi)核控制模塊常開，模塊可以正常接收數(shù)據(jù)命令，實(shí)際執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)要等模塊醒來時執(zhí)行，執(zhí)行完自動睡眠，在睡眠狀態(tài)下的工作電流為17.2 mA。

RS9110-N-11-22模塊支持UART和SPI數(shù)據(jù)接口，市面上的微處理器都能很好地開發(fā)此WIFI模塊。RS9110-N-11-22模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示，WIFI模塊可以通過UART或者SPI接口與MCU相連，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊，而且模塊內(nèi)置了TCP、UDP協(xié)議，能很好地與服務(wù)器進(jìn)行通訊。

圖1 RS9110-N-11-22模塊的系統(tǒng)框圖［12］

2.3 WIFI模塊接口的選擇

(1)UART接口:模塊啟動時能夠進(jìn)行模塊波特率自適應(yīng)，支持的波特率有9.6 kbit/s/19.2 kbit/s/38.4 kbit/s/57.6 kbit/s/115.2 kbit/s/200 kbit/s/230.4 kbit/s/460.8 kbit/s/921.6 kbit/s/1.8432Mbit/s/3.6864 Mbit/s。由于傳輸?shù)倪^程中需要加上幀頭，實(shí)測使用3.6864 Mbit/s的波特率傳輸TCP包時的速度為346.7 kbyte/s。一般的MCU都是單線程運(yùn)行，所以要求實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率要低于346.7 kbyte/s，才能預(yù)留一部分時間給MCU其他的程序塊，在這種情況下3.6864 Mbit/s的波特率是能滿足要求的。但使用UART接口有時會有丟幀的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)指定發(fā)送一個字節(jié)長度1 208 byte的數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送10 000次，總數(shù)據(jù)長度1 208×10 000=12.08 Mbyte，實(shí)際接收12.006 312 Mbyte，可以看出丟幀率為1-0.9939=0.61%。

(2)SPI接口:與UART接口相比較，對應(yīng)的操作比較復(fù)雜，但SPI接口的通訊速率可達(dá)25 MHz，可以大大提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，在數(shù)據(jù)量比較大的情況下可以選擇SPI接口。WIFI模塊和服務(wù)器之間通過TCP/UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。TCP(Transmission Control Protocol)協(xié)議是是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的運(yùn)輸層(Transport layer)通信協(xié)議，由于TCP傳輸?shù)目煽啃?，在傳輸過程不會發(fā)生丟幀的現(xiàn)象。

由于UART接口的WIFI模塊受到串行接口速度的影響，而且要實(shí)現(xiàn)高速傳輸必須對串口的波特率進(jìn)行超頻(正常波特率的最大值為115.2 kbit/s)，波特率提高會引起傳輸?shù)牟环€(wěn)定而導(dǎo)致丟幀現(xiàn)象的發(fā)生，所以在設(shè)計中選擇SPI接口的RS9110-N-11-22模塊，提高了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)不發(fā)生丟幀。

2.4 SPI接口的WIFI模塊

(1)WIFI模塊和微處理器連接方式如圖2所示。

圖2 WIFI模塊接口圖

(2)WIFI模塊的基本命令

MCU----＞模塊:C1----C2----C3----C4-----數(shù)據(jù);

模塊----＞MCU:C1----C2----C3----C4-----數(shù)據(jù)(MCU主機(jī)數(shù)據(jù))----等待狀態(tài)-----數(shù)據(jù)(模塊數(shù)據(jù))。其中C1～C4的含義如圖3所示。

圖3 模塊基本命令中C1～C4的含義

WIFI模塊在于MCU通訊過程中，模塊會返回數(shù)據(jù)發(fā)送成功、模塊忙、發(fā)送數(shù)據(jù)錯誤、模塊已經(jīng)準(zhǔn)備好的信息。MCU可以通過模塊返回的信息來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，這種應(yīng)答方式確保了WIFI模塊與MCU之間數(shù)據(jù)通訊的正確性。

(3)MCU與服務(wù)器之間的通訊

MCU發(fā)送數(shù)據(jù)給WIFI模塊可以通過模塊的返回信息來判斷MCU是否已經(jīng)把數(shù)據(jù)成功發(fā)送給了WIFI模塊，如果收到WIFI模塊返回的“數(shù)據(jù)發(fā)送成功”說明WIFI模塊已經(jīng)成功接收到數(shù)據(jù);WIFI模塊和服務(wù)器之間通過可靠的通訊協(xié)議(TCP協(xié)議)使這一通信環(huán)節(jié)不會丟幀。從而MCU與服務(wù)器通訊能夠?qū)崿F(xiàn)不丟幀的傳輸。

圖4 WIFI模塊正常聯(lián)網(wǎng)的軟件流程圖

(4)WIFI模塊聯(lián)網(wǎng)的過程

RS9110-N-11-22模塊具有正常連接和快速連接。①正常聯(lián)網(wǎng)的流程圖如圖4所示。模塊在正常連接時，先從底層引導(dǎo)過程啟動WIFI模塊，而后配置模塊的發(fā)射頻段、掃描信道和網(wǎng)絡(luò)名、設(shè)置共享密匙(PSK)、加入/創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置模塊的IP地址，然后就可以連接到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。②快速連接和正常連接的區(qū)別在于:在正常連接的過程中把“掃描信道和網(wǎng)絡(luò)名、共享密匙(PSK)設(shè)置、加入/創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置模塊IP地址”這些參數(shù)保存起來，并允許下次啟動時自動連接到已經(jīng)建立好的連接點(diǎn)AP(Access Point)。這樣在下次連接的過程中就可以快速連接到網(wǎng)絡(luò)中，再執(zhí)行連接到服務(wù)器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，這樣就可以大大減小RS9110-N-11-22模塊連接到網(wǎng)絡(luò)的時間。快速連接的流程圖如圖5所示。

圖5 WIFI模塊快速聯(lián)網(wǎng)的軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

服務(wù)器(可以是手機(jī)、平板或者電腦)上的接收軟件能接收通過RS9110-N-11-22模塊傳輸?shù)亩M(jìn)制心電數(shù)據(jù)，并解析出心電波形，實(shí)現(xiàn)心電波形的實(shí)時顯示。心電數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器后，就能通過以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)上傳播，醫(yī)生和專家也能第一時間獲取受監(jiān)護(hù)人的心電信息，對受監(jiān)護(hù)人的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析診斷。

3.1 數(shù)據(jù)丟幀率測試

心電采集模塊把心電數(shù)據(jù)采集后傳給MCU，在MCU內(nèi)存區(qū)開辟一個緩存空間來存儲采集到的心電數(shù)據(jù)，此緩存空間是為了MCU發(fā)送給WIFI模塊出現(xiàn)錯誤能實(shí)現(xiàn)出錯重發(fā)的功能而設(shè)計的。而后再通過一定的數(shù)據(jù)格式傳給RS9110-N-11-22模塊，WIFI模塊通過TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，最終在服務(wù)器上解析出心電波形，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸與顯示。

實(shí)測在WIFI信號強(qiáng)度為-70 dB～-80 dB(相鄰的實(shí)驗(yàn)室，中間隔一堵墻)的情況下，測量時間為87 220 s(24.23 h)，服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)量為1 214×1 744 400=2 117.7 Mbyte，都沒有發(fā)生丟數(shù)據(jù)的情況。這個結(jié)果能夠滿足心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的要求。

3.2 解析后的心電波形

為了完整記錄心臟的電活動狀況，常用水平和垂直方向的12種不同導(dǎo)聯(lián)做記錄，稱為標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF 導(dǎo)聯(lián)(肢體導(dǎo)聯(lián))和V1、V2、V3、V4、V5、V6 導(dǎo)聯(lián)(胸導(dǎo)聯(lián))。其中Ⅱ、aVR、V3導(dǎo)聯(lián)的波形如圖6所示，其他導(dǎo)聯(lián)的波形就不一一列舉了，如圖所示的心電波形中能很好地表示出心電圖上的各種波形(包括P波、QRS波群、T波和U波)。實(shí)時不丟幀的傳輸能把最真實(shí)的心電波形傳給醫(yī)生，幫助醫(yī)生進(jìn)行心電診斷。

圖6 心電波形

4 結(jié)論

本文考察了MCU和WIFI組成數(shù)據(jù)傳輸處理的系統(tǒng)，并在WIFI信號強(qiáng)度為-70 dB～-80 dB(相鄰的實(shí)驗(yàn)室，中間隔一堵墻)的情況下實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)實(shí)時不丟幀的傳輸。WIFI網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸由于其覆蓋范圍廣和傳輸速率高，將會是未來遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵技術(shù)是在數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸過程中如何實(shí)現(xiàn)不丟幀傳輸。目前兆量級的數(shù)據(jù)傳輸速率可以滿足現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的要求。由于未來遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)需要傳輸更多的人體生理信息，對傳播速率的要求也更高，這也是今后實(shí)現(xiàn)實(shí)時不丟幀傳輸面臨的一個重大問題。

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