基于藍(lán)牙通信的心電系統(tǒng)

徐愛唯　吳淑珊　左靜　王麒驥　余城均　趙睿

摘要：隨著科技發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們的健康意識(shí)也在不斷提升，醫(yī)療資源不足等問題的暴露使家庭監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的出現(xiàn)和發(fā)展成為必然。為了充分發(fā)揮心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)，本文將詳細(xì)介紹一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的無線通信，將心電信號(hào)傳輸?shù)絇C端的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和主要原理，并對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)、展望其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；心電監(jiān)護(hù)；BM101

1 選題背景

現(xiàn)代生活的壓力越來越大，人們的生活節(jié)奏也越來越快，很多不健康的生活方式隨之出現(xiàn)，心臟病、高血壓等疾病的發(fā)病率不斷升高，這種情況使人們對(duì)心電監(jiān)護(hù)的需求越來越大。目前市場(chǎng)在售的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備主要有兩種：一是較大屏幕、運(yùn)算能力較強(qiáng)，但這種檢測(cè)儀的體積過大，便攜性較差且價(jià)格昂貴，一般家庭無法承擔(dān)；二是較為便宜且便于攜帶，但分辨率低、運(yùn)算能力較弱、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力差，不利于醫(yī)療效果的實(shí)現(xiàn)，而且某些手執(zhí)型檢測(cè)儀受運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉信號(hào)的干擾較大。這兩種監(jiān)護(hù)設(shè)備都不能滿足日常家庭生活中心電監(jiān)護(hù)的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)一種便攜式、可供家庭使用的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是十分必要的。

2 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、藍(lán)牙通信模塊和Pc顯示端組成。由信號(hào)采集模塊中的生理傳感器檢測(cè)到生理信號(hào)，并把生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理得到模擬心電信號(hào)，然后再將模擬的心電信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器得到16位數(shù)字比特流，再經(jīng)過數(shù)字濾波器整理后將數(shù)字信號(hào)送入基于藍(lán)牙通信協(xié)議的通信模塊，與PC端中UART平臺(tái)相連接，最終在PC端上顯示和處理。

3 具體實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

心電信號(hào)的采集利用集成芯片BM101完成，其主要由模擬前端采集模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊兩部分組成，通過此芯片可采集UV級(jí)到MV級(jí)不等的心電信號(hào)，并在其內(nèi)部通過一系列處理得到比較清晰的數(shù)字信號(hào)。

3.1.1 模擬前端

模擬前端主要由低噪聲放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。傳感器接收到低振幅的差分輸入信號(hào)，由于其包含緩慢變化的直流分量，將其依次通過全集成高通濾波器和可編程低噪聲放大器進(jìn)行消除和放大處理，最后將處理好的16位ADC數(shù)字比特流送入數(shù)字信號(hào)處理模塊。

3.1.2 數(shù)字信號(hào)處理模塊

16位ADC數(shù)字比特流先后通過陷波濾波器和數(shù)字低通濾波器，其中陷波濾波器特別定制用于減弱頻率在50HZ和H60HZ的信號(hào)，通常減少63dB左右；數(shù)字低通濾波器設(shè)置的截止頻率為100Hz，用于提供一個(gè)穩(wěn)定的通帶截止頻率，而最終在停止頻率減少40dB，經(jīng)過一系列處理得到了數(shù)據(jù)。

3.2 藍(lán)牙通信模塊

下位機(jī)與上位機(jī)的連接要依靠與心電信號(hào)接收端相連接的藍(lán)牙通信模塊和PC端上的UART平臺(tái)，因?yàn)樗{(lán)牙協(xié)議的傳輸距離遠(yuǎn)，且UART平臺(tái)具有軟件消耗小、通信協(xié)議簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，這樣心電信號(hào)可以有效且高效地在10米內(nèi)傳到PC端。

3.2.1 藍(lán)牙協(xié)議

藍(lán)牙通信模塊將接收到前端傳來的心電信號(hào)，利用藍(lán)牙代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線的串口數(shù)據(jù)傳遞，大大增強(qiáng)了心電儀的空間移動(dòng)性。

3.2.2 UART平臺(tái)

UART作為主要的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，其主要以數(shù)據(jù)包方式傳送數(shù)據(jù)，其中設(shè)置為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位格式。數(shù)據(jù)包被發(fā)送為一個(gè)異步串行流，每個(gè)數(shù)據(jù)包由3部分組成，即頭文件、數(shù)據(jù)的有效載荷、CRC校驗(yàn)字節(jié)。

（1）頭文件的組成。頭文件由3個(gè)字節(jié)組成，即兩個(gè)同步字節(jié)（0xAA、0xAA）和一個(gè)有效載荷長(zhǎng)度字節(jié)。兩個(gè)同步字節(jié)用信號(hào)表示一個(gè)數(shù)據(jù)包的到達(dá)，有效載荷長(zhǎng)度字節(jié)表示數(shù)據(jù)包的有效載荷長(zhǎng)度。

（2）數(shù)據(jù)有效載荷。數(shù)據(jù)有效載荷本身由一系列連續(xù)的數(shù)據(jù)流組成。解析數(shù)據(jù)有效載荷是完成對(duì)所有數(shù)據(jù)流的解析過程。

（3）CRC檢驗(yàn)字節(jié)。一個(gè)數(shù)據(jù)包的CRC校驗(yàn)用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)包的有效載荷數(shù)據(jù)的完整性。所有接收到的數(shù)據(jù)包都要接受CRC檢驗(yàn)。如果結(jié)果不匹配，將會(huì)被視為無效丟棄；如果結(jié)果相匹配，則該數(shù)據(jù)包將會(huì)被保留。CRC檢驗(yàn)對(duì)心電信號(hào)顯示的準(zhǔn)確性具有重要的意義。

3.3 PC顯示端

此次上位機(jī)部分編程采用了C語言，主要實(shí)現(xiàn)功能為心電信號(hào)的接收、顯示等。當(dāng)啟用電腦上安裝好的藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)后，可與藍(lán)牙通信模塊相匹配，接收到實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)顯示功能，具體運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)出一個(gè)“隊(duì)列”。

4 總結(jié)與展望

整個(gè)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)的過程得到了很好的實(shí)現(xiàn)，但是這僅僅實(shí)現(xiàn)了采集心電的一個(gè)方面，今后可將人體的其他生理參數(shù)，如呼吸、體溫、脈搏等都利用無線通信傳遞到PC端，對(duì)人體的健康實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控。