基于藍(lán)牙4.0心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究

黃敏+張珣

摘 要：為了滿足人們對實時健康監(jiān)護(hù)的需求，設(shè)計一種基于藍(lán)牙4.0的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由心電信號采集模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊和用于心電顯示與處理的手機模塊組成，給出了硬件電路的設(shè)計方案及軟件程序流程圖。經(jīng)測試，整個系統(tǒng)功耗低、攜帶方便、有較好的穩(wěn)定性和實時性，可以實現(xiàn)對心電信號實時的顯示和存儲，非常適合在普通家庭中使用。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙4.0;CC2540;心電圖;醫(yī)療監(jiān)護(hù)

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會壓力的不斷增大，人們的生活節(jié)奏不斷加快，生活方式越加不規(guī)律，心臟病、高血壓等慢性疾病正日益嚴(yán)重威脅著人們的健康[1]。由于醫(yī)院傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀體積龐大，價格昂貴，不適合普通家庭在日常監(jiān)護(hù)中使用，因此設(shè)計一款體積小、價格低、便攜式的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)十分重要。

藍(lán)牙4.0技術(shù)是2010年推出的一種短距離無線電通信技術(shù)，與其他短距離無線通信技術(shù)相比具有功耗低、體積小、速度快、抗干擾能力強以及輻射范圍更廣等優(yōu)點[2]。另外，利用藍(lán)牙4.0技術(shù)還能夠快速有效地與Android智能手機終端設(shè)備進(jìn)行通信。因此，本文給出了一個由便攜式醫(yī)療電子設(shè)備、移動通信設(shè)備構(gòu)成并通過藍(lán)牙4.0進(jìn)行傳輸?shù)募彝ケO(jiān)護(hù)系統(tǒng)。以心電信號為例，設(shè)計一個以CC2540為核心的人體心電檢測模塊，利用藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并在Android智能手機上完成自動顯示分析與報警等功能。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，整個系統(tǒng)分為心電信號采集模塊、藍(lán)牙4.0無線發(fā)送模塊和用于心電顯示與處理的手機模塊組成。心電信號采集模塊由信號采集、濾波放大電路和A/D轉(zhuǎn)換幾個部分組成。傳感器檢測到生理信號并把生理信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號，通過對電信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理得到完整的心電信號后，然后再將模擬的心電信號通過A/D轉(zhuǎn)換傳送到CC2540微控制器。CC2540微控制器的功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對心電信號進(jìn)行處理、特征提取等功能，同時將數(shù)字信號送入基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的RF發(fā)射器，利用藍(lán)牙無線通信技術(shù)發(fā)送到Android手機端顯示。

圖1 ?心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框圖

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ?心電采集模塊設(shè)計

心電信號是一種很微弱的電信號，通常為毫伏級信號，很容易受到外界的干擾，這些干擾包括機電干擾、運動干擾、電極接觸不良和外部電磁干擾等。為了濾除各種干擾需要利用信號調(diào)理電路，從干擾中提取出心電信號[3，4]。如圖2所示，為心電信號采集模塊電路的框圖。

圖2 ?心電信采集模塊電路框圖

由于有些干擾的頻率具有不確定性，所以這部分干擾不能通過信號調(diào)理電路全部的濾除掉，可以在心電信號采集模塊之后，使用上位機進(jìn)行軟件再次濾基本上消除干擾。

本設(shè)計中前置放大電路選用AD公司生產(chǎn)的儀表放大器AD62芯片。AD620是一個價格低、功耗低、精度高的儀表放大器，設(shè)置接入電阻Rg為6.8 kΩ，使前置放大電路的放大倍數(shù)約為8倍。右腿驅(qū)動電路選用OP07放大器，它的主要功能是抑制50 Hz工頻干擾。高通濾波器電路和低通濾波器電路的功能是濾除基線漂移和高頻噪聲。50 Hz陷波電路進(jìn)一步濾除50 Hz工頻干擾，這樣就基本上可以完全濾除工頻干擾。經(jīng)過濾波后的心電信號還需要進(jìn)行后級放大才能發(fā)送到處理器中處理，采用OP07芯片對信號進(jìn)行后級放大[5，6]。如圖3所示為心電采集模塊實物圖。

圖3 ?心電采集模塊實物圖

2.2 ?信號處理和傳輸模塊

目前，主流的短距離無線通信包括藍(lán)牙、WiFi、Wireless USB、ZigBee，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。由于距離、功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率、復(fù)雜度、成本等因素的限制，并不是所有的無線通信技術(shù)都適用于無線體域網(wǎng)。本文的研究采用藍(lán)牙4.0技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心。

藍(lán)牙無線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）于2010年7月發(fā)布了藍(lán)牙4.0版本核心規(guī)范，以低功耗（BLE）作為新版本的主要技術(shù)特點，藍(lán)牙邁入4.0時代。隨后各大廠商紛紛推出支持藍(lán)牙4.0的智能設(shè)備。TI公司推出了完全兼容藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議的SoC芯片CC2540，同時也開發(fā)出了相應(yīng)的軟件協(xié)議棧。

藍(lán)牙4.0規(guī)范的核心是低功耗技術(shù)（Low Energy），即藍(lán)牙4.0 BLE。該技術(shù)最大特點是擁有超低超低的運行功耗和待機功耗，藍(lán)牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池甚至可以連續(xù)工作數(shù)年之久。

信號處理模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2540藍(lán)牙芯片， CC2540集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，該芯片包含一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051內(nèi)核的無線射頻單片機，它與藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性價比、低功耗的片上系統(tǒng)解決方案，能完成數(shù)據(jù)采集、處理、藍(lán)牙通信的任務(wù)，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。系統(tǒng)編程閃存記憶，8 KB RAM 和其他功能強大的配套。CC2540適用于低功耗系統(tǒng)、超低的睡眠模式，以及運行模式的超低功耗的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步實現(xiàn)了超低功耗。

心電信號通過心電采集模塊采集到以后，將心電信號連接到CC2540自帶的A/D轉(zhuǎn)換傳到CC2540芯片處理。每個無線傳感網(wǎng)終端的核心是CC2540片上系統(tǒng)， CC2540微控制器主要負(fù)責(zé)心電數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、處理、存取、控制藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 ?軟件設(shè)計

3.1 ?BLE協(xié)議棧

本設(shè)計用到的CC2540芯片使用的是TI公司的藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議棧。藍(lán)牙4.0 BLE規(guī)范中定義了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）兩個基本配置文件，協(xié)議棧中的GAP層負(fù)責(zé)設(shè)備訪問模式和進(jìn)程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、建立和終止連接、初始化安全特性和設(shè)備配置。GATT層用于已連接的藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。BLE協(xié)議棧的運行機理為：通過tasksEvents指針不斷的訪問事件表tasksEvents[tasksCnt]來判斷是否有事件發(fā)生，如果有事件發(fā)生，則在函數(shù)表中找到對應(yīng)的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理。處理完后，繼續(xù)訪問事件表tasksEvents[tasksCnt]，如此無限循環(huán)。

3.2 ?心電數(shù)據(jù)采集流程圖

將心電采集模塊作為節(jié)點設(shè)備，手機中的藍(lán)牙作為集中器設(shè)備。集中器設(shè)備掃描發(fā)現(xiàn)節(jié)點設(shè)備并且建立連接的流程如圖4所示。

圖4 ?建立連接的流程

當(dāng)集中器設(shè)備和節(jié)點設(shè)備建立連接后，集中器設(shè)備讀取節(jié)點設(shè)備提供的應(yīng)用數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行GATT數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)。集中器進(jìn)行GATT數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)現(xiàn)時，需要給出想要發(fā)現(xiàn)的主服務(wù)的UUID，只有主服務(wù)UUID匹配，才能獲得GATT數(shù)據(jù)服務(wù)。設(shè)備之間的心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

圖5 ?系統(tǒng)流程圖

4 ?系統(tǒng)測試

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的顯示是基于Android手機平臺的，實現(xiàn)了和心電采集模塊的配對、數(shù)據(jù)的接收、心電的顯示和存儲等功能[7，8]。當(dāng)程序啟動后監(jiān)測周圍的藍(lán)牙設(shè)備，監(jiān)測到心電采集模塊以后就可以實現(xiàn)配對，然后按下開始按鈕，就可以接受到藍(lán)牙發(fā)送的心電數(shù)據(jù)，并實時的顯示。如圖6所示。

5 ?結(jié) ?語

該設(shè)計僅僅是監(jiān)測了心電一個生理參數(shù)，今后可以把體溫、脈搏、心率等無創(chuàng)生理參數(shù)利用藍(lán)牙4.0組成人體傳感網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C上實時顯示，實現(xiàn)實時監(jiān)測。另外，接下來還要將采集模塊進(jìn)一步的優(yōu)化和集成，使其更加便于攜帶。該設(shè)計能廣泛應(yīng)用于運動健身、移動醫(yī)療等領(lǐng)域，具有重要的臨床使用價值。

圖6 ?手機心電監(jiān)護(hù)界面

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