超低功耗無線傳感心電信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

呂海洋, 張鵬輝, 鄧建國, 王中方

(西安交通大學 電子與信息工程學院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著醫(yī)療水平與信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及人口的老齡化，傳統(tǒng)以治療為主的醫(yī)療模式逐漸轉(zhuǎn)向以預防為主的新型模式。建立起以醫(yī)院為中心，社區(qū)家庭、個人為節(jié)點的遠程監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及以及成熟的嵌入式微電子技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的面向家庭個人的小型化低成本低功耗的無線傳感生命信息采集監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。

目前已有的面向個人的系統(tǒng)大部分只是簡單的檢測用戶心電特征，不能有效地利用網(wǎng)絡(luò)進行遠程監(jiān)護，并不能做到有效地防護；而有部分遠程監(jiān)護系統(tǒng)利用ZigBee、藍牙等無線協(xié)議網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)護，但是由于協(xié)議過于復雜，而且功耗高，因此在成本功耗方面實現(xiàn)開發(fā)并不如人意。另外目前在已有的系統(tǒng)中面向大部分群體的界面直觀、操作簡單的PC和移動終端應用程序的缺失給信息時代用戶的使用也帶來了極大的不便。

本文所述系統(tǒng)的采集處理電路采用超低功耗處理器以及在數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)面采用功耗和成本遠低于低功耗ZigBee協(xié)議的ANT協(xié)議，使整個系統(tǒng)功耗和成本大大地降低，增加該便攜式系統(tǒng)的使用時間。而且隨著目前家用PC和移動Android藍牙終端的不斷普及，開發(fā)了界面直觀操作簡單的應用軟件端，使該系統(tǒng)更容易被各類用戶接受和方便使用。使用戶在平時準確直觀地掌握自己的健康狀況，并且在發(fā)生危險和異常的時候發(fā)出報警及時通知醫(yī)療中心進行救護和治療。本系統(tǒng)還能夠即時記錄異常數(shù)據(jù)信息，提供醫(yī)院在平時所不能獲取的信息協(xié)助醫(yī)生進行準確的診斷和救治?；颊咭材苁褂脗€人PC和手機應用隨時隨地方便地記錄、查詢自己的健康情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括前端信號調(diào)理處理和ANT無線發(fā)送電路、搭載有ANT_USB接收模塊的個人PC終端上位機應用、ANT到藍牙協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以及移動Android終端應用。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)首先通過調(diào)理電路將連接在肢體或胸部的導聯(lián)電極采集的心電信號進行濾波放大，主控微處理器的AD轉(zhuǎn)換器采集調(diào)理后的生命信息信號并進行初步分析處理和危急特征提取。微處理器根據(jù)初步分析處理的結(jié)果，按照不同模式通過以SPI同步串行接口連接的ANT無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端為搭載有ANT_USB接收模塊的PC機和移動Android終端。移動Android終端需要通過便攜式ANT轉(zhuǎn)藍牙模塊來接收生命信息數(shù)據(jù)。當PC上位機或Android監(jiān)控終端接收到數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)管理與診斷分析程序顯示出實時心電圖和心率信息并進行疾病的診斷，顯示診斷結(jié)果。當發(fā)現(xiàn)異常時，發(fā)出警報并可將結(jié)果通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠程醫(yī)療中心。

由于前端信號調(diào)理電路不是本文對系統(tǒng)設(shè)計所要重點闡述的部分，所以本文主要對數(shù)據(jù)的處理、無線收發(fā)軟硬件設(shè)計和終端應用程序設(shè)計做介紹。

2 無線ANT協(xié)議及前端軟件設(shè)計

2.1 無線ANT協(xié)議介紹及模式選擇

本系統(tǒng)無線傳輸采用挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建無線ANT網(wǎng)絡(luò)模塊。目前無線傳輸技術(shù)有ZigBee、WIFI、Bluetooth等，但通過對比這些比較成熟的協(xié)議中ANT和ZigBee協(xié)議在功耗和開發(fā)成本方面更有優(yōu)勢，而ANT協(xié)議芯片的功耗更是比ZigBee協(xié)議芯片低，僅用一塊紐扣電池的工作壽命是ZigBee的5倍以上。在開發(fā)成本方面，ANT對控制器的資源要求只是ZigBee的1/5,因此為了進一步的降低成本和功耗，本系統(tǒng)采用ANT協(xié)議作為無線收發(fā)協(xié)議。挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片已經(jīng)集成了ANT協(xié)議棧。ANT與ZigBee協(xié)議的參數(shù)對比如表1所示。從表中可以看出ANT在開發(fā)成本和功耗性能等方面遠遠低于ZigBee[1]。

表1 ANT與ZigBee協(xié)議參數(shù)對比

在PC端采用集成NRF24AP2芯片和USB接口的AP3000模塊[2]作為無線接收模塊進行數(shù)據(jù)接收。

ANT協(xié)議有三種數(shù)據(jù)發(fā)送模式，分別為廣播模式、應答模式、突發(fā)模式。本發(fā)明中為了將經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)既能正確，又能節(jié)約能耗地發(fā)送給接收端，采用不同模式發(fā)送不同數(shù)據(jù)。采用應答數(shù)據(jù)模式發(fā)送采集到的原始數(shù)據(jù)，供上位機畫出心電圖以及數(shù)據(jù)進一步分析使用；采用突發(fā)模式發(fā)送經(jīng)過微處理器計算處理后的結(jié)果，如心率值、RR間期以及本系統(tǒng)為其他生命特征參數(shù)(體溫、血氧飽和度等)預留數(shù)據(jù)位；由于本模塊采用同步模式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此在有效數(shù)據(jù)發(fā)送的間期采用廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)維持通道的同步。

2.2 MCU處理控制與無線ANT發(fā)送軟件設(shè)計

本發(fā)明中采用TI公司MSP430G2553超低功耗微處理器構(gòu)建中心處理單元[2]。MSP430單片機在低功耗方面表現(xiàn)出色，支持快速休眠，大量節(jié)省系統(tǒng)能耗，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定[3-4]。所采用的G2553型號加載有自主設(shè)計的危急特征提取算法，能夠滿足設(shè)計的需求。

圖2所示為前端節(jié)點各模塊連接圖，圖3所示為前端節(jié)點控制軟件流程圖。主要過程為在信號調(diào)理電路預處理心電模擬信號之后，超低功耗微處理器MSP430通過內(nèi)置的10位AD轉(zhuǎn)換模塊(采樣精度為3 mV)對模擬數(shù)據(jù)進行采集和轉(zhuǎn)換，采樣周期為5 ms，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)取高8位后放入接收無線發(fā)送緩存和特征診斷緩存。其中為了讓采集到的數(shù)據(jù)能夠及時通過ANT無線通信協(xié)議發(fā)出去，設(shè)置ANT通道速率為50 Hz即以400 Byte/s的速率(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為200

圖2 前端節(jié)點模塊連接圖

圖3 前端節(jié)點控制軟件流程圖

Byte/s)將數(shù)據(jù)送入無線通道進行傳輸。而且無線發(fā)送緩存采用雙8 Byte緩存，當前一個緩存滿時就將標志位置1，并將緩存數(shù)據(jù)通過ANT協(xié)議應答模式發(fā)出標志位置0，當后一個緩存滿時標志位置2并將緩存數(shù)據(jù)通過應答發(fā)出標志位置0。

如圖4所示為適應MSP430G2553微處理器的內(nèi)部資源節(jié)約成本而設(shè)計的心電特征診斷軟件程序流程圖。主要思想是當特征診斷200 Byte緩存滿時，對所存儲數(shù)據(jù)取最大值也即心電信號R峰附近的最大值，將該值減去10作為R峰探測的閾值對后面采集的數(shù)據(jù)進行探測，并且每5 min更新一次特征診斷200 Byte緩存并重新確定一次閾值，避免個體差異等多方面的影響。獲取閾值之后，每次轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)與閾值進行比較，若大于閾值然后將計數(shù)標志置0，等到后續(xù)檢測到連續(xù)100個左右數(shù)據(jù)小于閾值則表明剛才檢測到的是一個R峰，將心跳計數(shù)beat+1，當beat等于3時，用三次心跳采樣的數(shù)據(jù)數(shù)計算出平均心跳率heartrate=36 000/pulseperiod和RR間期并進一步進行診斷，并將計算得到的心率值heartrate和RR間期通過ANT協(xié)議突發(fā)模式發(fā)送出去[5-7]。

圖4 心電特征診斷軟件流程圖

由于本模塊采用同步模式進行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此在分別采用應答和突發(fā)模式發(fā)送原始心電數(shù)據(jù)和計算的診斷數(shù)據(jù)的空閑間隙采用廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)維持通道的同步。

MCU與無線ANT模塊之間采用SPI同步串行接口連接。其中ANT無線模塊配置為SPI主機模式，MSP430處理器配置為SPI從機模式。

ANT協(xié)議通信軟件的設(shè)計如下：

應用層：實現(xiàn)狀態(tài)機設(shè)置和維持ANT 通道，數(shù)據(jù)收發(fā)以及控制。

接口層：解釋應用層到ANT消息的函數(shù)調(diào)用，使用串行端口驅(qū)動程序來與ANT交換消息。

串行端口驅(qū)動：實現(xiàn)ANT字節(jié)同步，直接在硬件上對接口進行操作；其過程如圖5所示。

整個ANT協(xié)議通信的主要功能如圖6所示[8]。

3 ANT轉(zhuǎn)藍牙模塊的軟硬件設(shè)計

3.1 ANT轉(zhuǎn)藍牙模塊的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

由于手機等移動終端一般配置有藍牙裝置，而藍牙設(shè)備成本和功耗都遠大于ANT，因此為了節(jié)約前端節(jié)點的成本和功耗，同時為了在手機等移動終端使用該系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)發(fā)送至手機之前采用ANT到藍牙的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，利用該數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)換模塊既可以和搭載有藍牙的移動設(shè)備很好的配對又可以極大的降低前端設(shè)備的成本和功耗，進而降低整個系統(tǒng)的成本和功耗。而且藍牙硬件設(shè)計和軟件協(xié)議都相當成熟，傳輸效果穩(wěn)定，開發(fā)方便。

圖5 同步串行通信控制圖

圖6 ANT通信軟件主要功能

如圖7所示為ANT與藍牙協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊連接圖，其中ANT無線發(fā)送模塊AP2000[9]與MSP430微處理器之間依然采用SPI同步串行接口連接，AP2000配置為主機，微處理器配置為從機。MSP430與藍牙模塊HC-05通過異步串行接口UART連接。數(shù)據(jù)通過MSP430處理器進行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖7 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊連接圖

經(jīng)過設(shè)計加工制作，本系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊的整體大小僅為20 mm×25 mm，可以方便地戴于手腕等部位，方便攜帶使用。

3.2 ANT轉(zhuǎn)藍牙模塊的軟件設(shè)計

圖8所示為協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊軟件流程圖。

該系統(tǒng)中終端Android移動設(shè)備，通過應用程序配置打開藍牙并接受數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊數(shù)據(jù)，并進行進一步分析處理之后進行顯示和診斷，在發(fā)現(xiàn)異常時發(fā)出報警信號將數(shù)據(jù)在應用端通過移動互聯(lián)網(wǎng)傳送至遠程醫(yī)療中心。

圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件流程圖

4 PC端上位機應用程序軟件設(shè)計

在PC端基于.NET4.0平臺和C#語言編寫了上位機軟件，并采用ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，通過用戶的簡單操作將用戶的個人信息存入Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。應用程序在通過ANT_USB接收到信息之后實時的畫出用戶的心電圖、顯示診斷結(jié)果并將結(jié)果和有問題的數(shù)據(jù)自動的保存到數(shù)據(jù)庫中以供用戶查詢；在檢測到異常情況時，能發(fā)生報警提醒用戶，用戶在軟件端可以通過簡單的操作和遠程醫(yī)療監(jiān)控中心進行通信，讓醫(yī)生進行診斷[10-13]。

應用軟件的工作過程為：啟動應用程序之后，用戶輸入個人信息，在輸入完畢之后，程序通過.NET Framework數(shù)據(jù)提供程序Connection對象連接Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫文件，并通過Command對象將用戶信息寫入該文件中供以后查詢；在用戶輸入完畢點擊啟動系統(tǒng)后接收模塊開啟通道進行數(shù)據(jù)接收，在收到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)存入接收緩存，并在接收緩存收滿數(shù)據(jù)之后調(diào)用庫中畫圖函數(shù)畫出實時心電圖，之后每次收到新數(shù)據(jù)都依次放入接收緩存，并從存放位置開始循環(huán)到最后存放位置前畫出心電圖，這樣就可畫出實時動態(tài)的心電圖；同時將心電分析結(jié)果顯示在軟件中和通過連接數(shù)據(jù)庫記入數(shù)據(jù)庫。用戶可以隨時查詢記錄的信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，查詢過程是在用戶點擊查詢記錄按鈕之后，軟件通過Connection對象連接數(shù)據(jù)庫，通過DataSet(數(shù)據(jù)集)對象在內(nèi)存中創(chuàng)建臨時數(shù)據(jù)庫并通過DataAdapter對象將數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容復制一份進入臨時數(shù)據(jù)庫dataset中，在用戶選擇主要查詢條件如時間、姓名、心律狀態(tài)等關(guān)鍵信息之后，系統(tǒng)自動將與查詢條件相匹配的數(shù)據(jù)顯示在綁定的控件上。

5 Android移動終端軟件設(shè)計

Android手機終端軟件的設(shè)計思想基本與PC端上位機軟件一樣，主要不同的有終端通過打開內(nèi)置藍牙模塊與數(shù)據(jù)發(fā)送端藍牙進行設(shè)備的配對，在配對成功之后可以接收到數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過基于Android平臺設(shè)計應用軟件，顯示心電信息。

基于Eclipse 集成開發(fā)編譯環(huán)境和SDK(Android軟件開發(fā)工具包) ADT( Android開發(fā)工具)JDK(JAVA編譯軟件)開發(fā)應用軟件[14-15]。打開應用軟件之后通過提示打開終端硬件配置的藍牙，并搜尋周圍藍牙設(shè)備，搜到目標設(shè)備并進行配對之后，可以接收數(shù)據(jù)發(fā)送端藍牙發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)存入接收緩存，進行處理和解碼轉(zhuǎn)換之后將數(shù)據(jù)通過描點畫圖畫出實時心電圖，并預留接口為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)應用做準備。

6 結(jié) 語

本文介紹了超低功耗無線傳感心電信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計以及各個模塊的軟硬件設(shè)計過程和主要實現(xiàn)方法。

本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將生命信息調(diào)理電路、低功耗數(shù)據(jù)處理模塊、ANT無線傳輸模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、PC上位機、Android終端應用和遠程醫(yī)療中心聯(lián)系起來，形成一個新的個人健康監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且功耗小成本低而且整套系統(tǒng)操作方便簡單。

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