基于有源RFID標(biāo)簽的體溫、脈搏、血氧傳感系統(tǒng)設(shè)計

任洪宇　石光印　宮周宇　林坤

摘 要：文中基于反射式傳感器，對體溫、脈搏、血氧飽和度數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析后，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。通過硬件與軟件設(shè)計，提高反射式傳感器的測量精度。采用258TCP型2.4G全向有源RFID讀寫器與改進(jìn)的反射式脈搏、血氧、體溫傳感器及有源RFID標(biāo)簽搭建硬件平臺。設(shè)計上位機(jī)程序和基于258TCP型閱讀器底層程序的數(shù)據(jù)傳輸算法，實現(xiàn)人機(jī)交互功能。最終實現(xiàn)低功耗、小型化的人體生命體征檢測設(shè)備。

關(guān)鍵詞：有源RFID；反射式傳感器；醫(yī)療監(jiān)護(hù)；硬件平臺

中圖分類號：TP39；TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、射頻與無線通信技術(shù)和微處理器技術(shù)發(fā)展迅速，很多技術(shù)被廣泛應(yīng)用。因此醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)設(shè)備也正向著集成化、無線化、微型化和智能化方向發(fā)展，逐漸擁有隨時隨地為個人提供健康服務(wù)的能力。因此，便于患者穿戴的醫(yī)療檢測設(shè)備應(yīng)運而生，國內(nèi)外的專家和學(xué)者雖然設(shè)計了各種醫(yī)療檢測系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)均存在功耗高，可穿戴性差，成本高等問題。目前國外生產(chǎn)的便攜式生理信息檢測設(shè)備主要包括Analog Devices公司基于AduC7024芯片開發(fā)的脈搏血氧監(jiān)測儀以及TI公司研發(fā)的脈搏血氧監(jiān)測芯片MSP430等。此外，北京中衛(wèi)萊康公司開發(fā)的“心博士”系列產(chǎn)品是基于手機(jī)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)視儀，更多地體現(xiàn)了手機(jī)特性，其性能和監(jiān)測時間都受到一定限制。華南醫(yī)電科技公司開發(fā)的遙測監(jiān)護(hù)儀可實現(xiàn)對心電、呼吸、血壓、血氧、脈搏的同時監(jiān)測，但其設(shè)備體積和顯示設(shè)備較大，便攜性較差，主要應(yīng)用在醫(yī)院手術(shù)室，ICU，病房等，并不適用于家庭和個人。

1 研究內(nèi)容

我們針對日常動態(tài)下人體體溫、脈搏、血氧飽和度實時監(jiān)測技術(shù)存在的理論問題和技術(shù)難題，集中研究了體溫、脈搏、血氧等人體生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合算法和無線傳輸算法。通過將體溫、脈搏、血氧飽和度監(jiān)測方法與RFID 技術(shù)結(jié)合，采用反射式血氧傳感器，利用有源RFID標(biāo)簽搭建體溫、脈搏、血氧無線傳感標(biāo)簽。最終實現(xiàn)采用便攜式人體生命體征監(jiān)測設(shè)備對養(yǎng)老院老人或獨居老人、醫(yī)院病人等活動范圍較小的活動群體的生命體征進(jìn)行實時監(jiān)測的目的。主要研究內(nèi)容可細(xì)分如下：

（1）采用反射式血氧傳感器和有源RFID芯片搭建人體生命體征實時監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）進(jìn)行體溫脈搏血氧飽和度數(shù)據(jù)采集算法的研究及其軟件開發(fā)，并研究適合于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合算法。

（3）通過電路設(shè)計和數(shù)據(jù)采集算法降低系統(tǒng)功耗，采用待機(jī)/喚醒方式延長使用時間。

（4）基于有源RFID電子標(biāo)簽無線傳輸協(xié)議，開發(fā)適合于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸算法，實現(xiàn)對體溫脈搏血氧飽和度等數(shù)據(jù)的無線傳輸。

創(chuàng)新部分包括以下幾點：

（1）采用反射式血氧傳感器，通過有源RFID芯片搭建體溫脈搏血氧飽和度實時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)監(jiān)測體溫、脈搏、血氧飽和度等人體生命體征。采用反射式血氧傳感器可以解決穿戴不便的問題，同時相對于透射式血氧傳感器穿戴部位的局限性，反射式血氧傳感器不受探頭安放位置的制約，大大增加了其靈活性。

（2）研究人體生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時采集算法和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合算法。由于反射式血氧傳感器的探頭在人體皮膚的同一側(cè)，容易受運動或外部光源的影響。因此本文通過改進(jìn)數(shù)據(jù)的采集算法及無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸算法以減少外界干擾，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

（3）基于有源 RFID電子標(biāo)簽無線傳輸協(xié)議，改進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸算法。本設(shè)計基于258TCP型2.4G全向有源RFID讀寫器和2.4 GHz有源RFID標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn)。有源 RFID電子標(biāo)簽相對于無源 RFID電子標(biāo)簽而言，具有數(shù)據(jù)傳輸率高、通信距離遠(yuǎn)和可靠性高等優(yōu)勢。本文選用的有源標(biāo)簽傳輸距離可控（0～100 m）可調(diào)，在通信范圍內(nèi)防碰撞能力強(qiáng)。全向閱讀器可以全方位讀取標(biāo)簽信息。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目自行設(shè)計了手腕反射式血氧數(shù)據(jù)采集模塊，選擇STM32F103VCT6作為數(shù)據(jù)處理模塊，將有源RFID作為無線通信模塊及上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 反射式血氧采集模塊

本項目自行設(shè)計了反射式血氧采集模塊，包括光發(fā)射管、信號處理模塊、光接收管、LED驅(qū)動模塊四個部分。

發(fā)射管：根據(jù)血氧采集對光源的要求，發(fā)射管采用可發(fā)射660/940雙波長的型號為MQ-LAU-003的發(fā)光二極管。該二極管發(fā)光峰值波長為660/905，采用透明樹脂封裝，側(cè)發(fā)光，外觀尺寸為4 mm×3 mm×1.5 mm。可廣泛應(yīng)用于監(jiān)護(hù)儀血氧探頭、美容設(shè)備等。發(fā)射管參數(shù)見表1。

2.3 信號處理模塊

正常人的脈搏數(shù)一般為60～80次/min，老人為100～150次/min，最高跳動次數(shù)為240次/min。設(shè)計低通放大器時，5 Hz以上是病人與正常人脈搏波體現(xiàn)差異的地方，應(yīng)注意保留。在測量過程中，需要考慮并消除的干擾如下：

（1）環(huán)境光對接收管接收到有用光信號的干擾；

（2）環(huán)境中的電磁波對電路中放大器及其電路的影響；

（3）測量時由于傳感器在皮膚上的微小位移造成的噪聲干擾和50 Hz工頻干擾。

由于光強(qiáng)很小，輸出短路電流約為27 ?A，所以應(yīng)放大106倍以便于觀察。

傳感器得到的脈搏信號十分微弱，很容易淹沒在噪聲及干擾信號中，所以對取得的信號先濾波后放大。

因為三級放大個別電路板的零點漂移足以達(dá)到滿幅，致使測量不準(zhǔn)確，因此設(shè)計兩級放大。并且為了防止產(chǎn)生自激振蕩，每個單級放大器的放大倍數(shù)不大于30倍。所選的電阻參數(shù)要精確，IC應(yīng)選用偏置電流小、輸入失調(diào)電壓小的運算放大器，同時還需考慮性價比，因此選用TLC2252。

光電信號轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。由于換能元件為感光二極管，脈搏信號的拾取實際上是光發(fā)射到皮膚后折射到二極管時發(fā)生相應(yīng)的強(qiáng)度變化，從而在二極管中產(chǎn)生電流的微弱變化，再經(jīng)過放大后得到的電壓信號。

電路的輸出為：

Vi=-ig×R1

R4過大會導(dǎo)致穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生漂移誤差，影響增益精度。此外，考慮到靈敏度、線性度的協(xié)調(diào)性，令R4=200kΩ，使輸出達(dá)到mV級。為了抑制高頻干擾并消除運放輸入偏置電流的影響，接入電容C2，電阻R3。電容基于脈搏信號的頻率取值。

濾波及一級放大電路如圖3所示，其為低通放大電路。人體脈搏最高跳動次數(shù)為240 次/min ，按最高次數(shù)計算，并根據(jù)歸一化法設(shè)計低通放大器。轉(zhuǎn)折頻率由R5，C4，R7和C5 決定，放大倍數(shù)由R7和R5的比值決定，R8用來減小輸入阻抗不平衡的影響。

二級放大電路如圖4所示。放大倍數(shù)由R16和R9的比值決定。為了消除50 Hz工頻干擾，制作了基于雙T網(wǎng)絡(luò)的50 Hz陷波電路，如圖5所示。

信號處理模塊最終的輸出為模擬信號，可通過示波器直接觀察，如圖6所示。或接入數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行下一步處理。

2.4 LED驅(qū)動模塊

檢測光源分別來源于紅光和紅外光，且不能同時發(fā)射，因此設(shè)計了一種H橋電路對其進(jìn)行控制，通過控制發(fā)射管兩端的電壓變化實現(xiàn)交替發(fā)射。讓二者反向?qū)?，由于二極管的單向?qū)щ娦裕趦啥穗妷喊l(fā)生變化時能保證只有一個二極管導(dǎo)通，電路如圖7所示。

VC1，VC2設(shè)計為開關(guān)三極管，因基極電流較大使三極管工作在飽和區(qū)，分別處于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。VC3，VC4基極通過合適的電壓控制集電極電流工作在放大區(qū)，使LED所在支路工作在適合的電流狀態(tài)下。LED的工作電流可以通過調(diào)整VCC，R10，R12，R13，R14的值得到。JC1CON2連接發(fā)光管，out1，out2，out3，out4連接MCU，MCU在程序控制下產(chǎn)生驅(qū)動控制信號，通過H橋驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)射管MQ-LAU-003的紅光和紅外光交替發(fā)射。

2.5 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)模塊即為單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖8所示。單片機(jī)采用STM32F103VCT6，主要實現(xiàn)如下三個功能：

（1）控制H橋產(chǎn)生交替的電壓變化，控制發(fā)射管交替發(fā)光；

（2）接收信號處理電路的模擬輸出信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化做進(jìn)一步處理，計算脈搏和血氧飽和度；

（3）與RFID標(biāo)簽通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.6 無線通信模塊

本系統(tǒng)采用RFID無線數(shù)傳模塊進(jìn)行無線通信，RFID主要包括一個具有RFID 讀寫功能的閱讀器（Reader）、用于配制Reader的主控上位機(jī)（PC）以及多個具有RFID標(biāo)簽的節(jié)點（Node）。通信模塊主要由上層PC 和 RFID Reader 以及下層的多個節(jié)點構(gòu)成。其中RFID Reader通過USB接口與PC連接，每個節(jié)點都包括單片機(jī)（MCU）、傳感器（Sensor）和射頻標(biāo)簽（RFID Tag）三部分。

上層結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)整個血氧傳感系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理任務(wù)，通過獲取所有標(biāo)簽的傳感器信息來規(guī)劃和協(xié)調(diào)各節(jié)點的行為。負(fù)責(zé)上下層數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞FID系統(tǒng)的基本工作流程如下：

（1）閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，RFID Tag獲得能量被激活；

（2）射頻標(biāo)簽將自身編碼和數(shù)據(jù)信息通過標(biāo)簽內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；

（3）RFID Reader接收到標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號后，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器將信號傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送到后臺顯示所需要的處理。

系統(tǒng)的工作流程如下：

（1）系統(tǒng)運行后，PC開始定時向Reader發(fā)送查詢傳感器信息的命令，Reader基于ISO18000-6c協(xié)議按順序發(fā)送選擇（Select）、盤存（Query）、訪問（Access） 命令給Tag，Reader和Tag之間以電磁波的形式通信。

（2）接收到查詢命令的節(jié)點，MCU被激活，MCU發(fā)送使能信號給Sensor，Sensor完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，將這些信息以UART接口格式發(fā)送給MCU進(jìn)行血氧算法處理，經(jīng)處理后的血氧數(shù)據(jù)以SPI方式由MCU發(fā)送給RFID Tag。

（3）RFID Reader接收到RFID Tag的血氧信息后，通過USB接口將其送入PC中，在PC上使用VC++運行界面化程序?qū)崟r顯示各個節(jié)點的血氧數(shù)據(jù)，并將歷史數(shù)據(jù)存入文本文件以便后期查詢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上可分為主控制程序、信號采集處理模塊、無線通信模塊和顯示模塊。主程序負(fù)責(zé)設(shè)備的啟動、信息的采集處理和發(fā)送。當(dāng)設(shè)備啟動后，信號采集程序?qū)t光和紅外光LED進(jìn)行光調(diào)制，同時采集溫度信息，傳感器模塊輸出的信號經(jīng)過放大、濾波處理后，分析其幅值與周期，并計算血氧飽和度、脈搏、溫度，隨后對計算結(jié)果進(jìn)行顯示和發(fā)送。軟件主體程序結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3.2 ADC采集模塊設(shè)計

傳感器采集到的信號為模擬信號，需要做AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)化為可以分析的電信號，在進(jìn)行信號采集和AD轉(zhuǎn)換時，分別定時采集200個紅光脈搏樣本和紅外光樣本，在保證采集精度的同時又盡可能減小采集時間間隔。具體流程如圖10 所示。

3.3 信號放大、數(shù)字濾波

因為溫度傳感器采集到的信號較為簡單，因此這里對信號采集后的處理僅針對兩個LED的光信號。

信號放大包括直流抑制和交流放大，光電傳感器輸出的信號包括兩種光的交流和直流分量，而其中約95%為直流分量。體現(xiàn)人體脈搏信號的交流分量很小，因此需要將交流分量從信號中提取出來并放大，才能進(jìn)行后續(xù)的濾波處理。數(shù)字濾波的作用在于將得到的交流脈搏信號進(jìn)行降噪處理。采集到的信號的噪聲主要來自于身體運動和外部光線干擾，一般頻率較高，而需要得到的脈搏波的頻率僅為1～2 Hz，故采用低通濾波器進(jìn)行濾波即可得到低頻脈搏信號。

3.4 血氧脈搏信號處理

首先，ADC定時采集200個紅光脈搏樣本和200個紅外光脈搏樣本，計算2組采集數(shù)據(jù)中的最大、最小值，取紅外光的最大、最小值的70%作為比較。在紅外光的200個數(shù)據(jù)中找到70%相近點，并做比較，計算脈搏頻率。通過大量實驗計算血樣與兩組脈搏的關(guān)系，計算血氧值。

3.5 溫度采集處理

溫度采集相對簡單，目前市面上的溫度傳感器均能達(dá)到很高的檢測精度。因此，我們只需對溫度采集算法作簡單處理即可。待直接采集體感溫度后，對采集到的初始數(shù)據(jù)作簡單處理，并等效成實際溫度數(shù)值。如此采集10次后求平均，作為一次溫度值返回。溫度采集流程如圖11所示。

3.6 RFID無線傳輸協(xié)議

無線傳輸是將采集處理后的數(shù)據(jù)通過RFID標(biāo)簽無線發(fā)送到接收端，即閱讀器。在傳輸時需要遵循特定的通信協(xié)議，通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)包括幀前標(biāo)識符、地址、特征碼、功能號（也叫幀類型）、幀內(nèi)容、校驗和、幀后標(biāo)識符等7部分，見表3所列。

在具體設(shè)計中采用了一個特殊字節(jié)0x55當(dāng)作幀標(biāo)識符（每幀數(shù)據(jù)都以幀標(biāo)識符開頭，也以幀標(biāo)識符結(jié)束），并對幀中的數(shù)據(jù)作了特殊處理，使得幀中的數(shù)據(jù)不可能出現(xiàn)與標(biāo)識符一致的內(nèi)容。單片機(jī)通過將數(shù)據(jù)逐幀寫入標(biāo)簽，從而實現(xiàn)無線傳輸?shù)墓δ?，在接收端，閱讀器按照協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼恢復(fù)。

4 結(jié) 語

本文的貢獻(xiàn)在于在已有的脈搏監(jiān)測算法基礎(chǔ)上對其進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合反射式傳感器和RFID技術(shù)搭建了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)。本文的設(shè)計與其他檢測設(shè)備的佩戴方式相比具有較高的靈活性，不受佩戴位置的約束，可進(jìn)一步小型化。適用于人體日?；顒拥谋O(jiān)測，并可實時共享數(shù)據(jù)，對于醫(yī)院病人、療養(yǎng)院老人等生命體征的監(jiān)測具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]方啟超.血氧飽和度檢測技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[2]蘇帥.便攜式多參數(shù)智能醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京：北京理工大學(xué)，2016.

[3]范靜輝.無創(chuàng)脈搏血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2005.

[4]劉廣偉，毛陸虹，謝生，等.一種光電反射式脈搏血氧監(jiān)測方法[J].光電子·激光，2014，25（3）：620-624.

[5]謝正洋，胡丹峰，王加俊.無創(chuàng)血氧飽和度的測量及無線監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].中國儀器儀表，2009（4）：65-67.

[6]杜紅偉，來佳立，齊國強(qiáng).一種半有源超高頻RFID電子鉛封設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（9）：21-22.

[7]周開利，張偉，王旭.基于藍(lán)牙和智能手機(jī)的人體生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（6）：18-20.

[8]王陽.基于有源RFID標(biāo)簽的反射式脈搏血氧傳感系統(tǒng)研究[D]. 天津：天津工業(yè)大學(xué)，2017.