基于ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器網絡的脈搏信號測試系統

摘要:提出了基于ZigBee無線網絡的脈搏信號測試系統，包括脈搏傳感器#65380;信號調理#65380;ZigBee網絡節點#65380;數據采集部分#65377;根據人體脈搏信號屬于非平穩信號的特點，提出了基于ChoiWilliams分布(CWD)的脈搏信號時頻分析方法#65377;實驗結果表明，本系統能夠對人體的脈搏信號進行實時采集，CWD分布信號處理能很好地反映脈搏信號所包含生理病理的信息;如果同臨床醫學病例結合起來，將有很好的應用價值#65377;

關鍵詞:ZigBee;脈搏測試;喬伊—威廉斯分布

中圖分類號:TP393文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)04-0258-03

脈搏信號是人體重要的生理信號，其中包含人體重要的生理病理信息#65377;在我國傳統醫學中， 脈診在中醫診斷中占有重要地位;脈診就是從脈搏信號中感知人體的病理信息#65377;隨著現代科技的發展，特別是信號檢測處理技術及計算機技術等信息技術的發展，人們對脈搏信號的檢測分析進行了很多有意義的研究^[1]#65377;以往的解決方案是采用有線方式，被監護者身上安裝的傳感設備難以自由靈活地移動和接入，系統沒有擴展性#65377;本文研究的脈搏測試系統采用基于ZigBee的無線傳感器網絡技術，可以通過人體隨身攜帶的無線終端采集到脈搏數據，使采集系統具有移動性，避免了固定設備的不便，并且可以采集到人體活動時的脈搏信號#65377;同時，本文組建的ZigBee無線家庭監護網絡，可以通過與外部互聯網的橋接實現家庭的遠程監護^[2]#65377;

脈搏信號與心電#65380;腦電等其他生理信號一樣，屬于非平穩信號#65377;脈搏信號反映的是生理信息，既包含有人體自身在生命運動過程中產生的生理#65380;生化信息，也有人體受到外界環境刺激所產生的信息#65377;脈搏產生機理的復雜性使脈搏信號具有重復性差#65380;整體性#65380;可調性#65380;非線性等特點#65377;國內外的許多工作者對脈搏信號的分析和處理進行了研究^[3]#65377;為了更好地對脈搏信號進行分析，本文采用能量化二次型時頻分布的方法，提出采用Cohen類時頻分布分析，使結果不僅反映信號頻譜隨時間變換的情況，同時還能夠描述該信號的能量密度分布#65377;

1ZigBee技術及其用于脈搏信號測試系統的分析

ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，該標準把低能耗#65380;低通信率傳輸#65380;低成本作為重要目標#65377;其物理層和MAC層協議基于IEEE 802.15.4協議標準#65377;物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務#65377;物理層數據服務從無線信道上收發數據，物理管理層維護一個由物理層相關數據組成的數據庫^[4]#65377;ZigBee節點有幾十米的覆蓋范圍，同時可以增加路由節點擴展覆蓋范圍，因此適用于家庭住宅#65377;ZigBee 傳感節點可自由靈活地加入和離開網絡，自身的低功耗和低成本也延長了設備的工作時間，降低了整體的成本#65377;ZigBee協議的傳輸速率為250 kbps，能滿足脈搏信號等數據傳輸量不大的生理信號的傳輸^[2]#65377;

組成的脈搏測試系統網絡如圖1所示#65377;被監護者攜帶可移動的脈搏信號監護終端，采集到的脈搏信號直接或者通過中間的路由節點傳輸到無線網絡的中心控制點(Cordinator)#65377;網絡控制點將數據通過串口傳輸到PC機，PC運行的監護軟件隨時對脈搏信號進行監護#65377;

2脈搏信號的檢測采集方法

脈搏信號的采集終端系統包括傳感器#65380;信號調理電路#65380;數據采集處理#65380;信號無線發射等#65377;其中脈搏傳感器采用PVDF壓電薄膜式壓力傳感器#65377;PVDF薄膜(聚偏氟乙烯)具有明顯的壓電特性，其壓電常數比PZT壓電陶瓷高10~20倍，而密度卻只有它的1/4#65377;它具有很高的強度與很寬的頻響(0.1~10MHz)，材料薄(幾um~幾百um)而柔軟，并且有很好的時間和溫度穩定性^[4]#65377;

針對PVDF傳感器的特點，采用高輸入阻抗的阻抗電荷放大器，然后采用電壓跟隨和信號運算放大，信號輸出為-1~+1 V#65377;ZigBee無線模塊采用Freescale公司的MC13192無線調制解調器和微控制器GT60^[5]，同時GT60帶有八位的A/D轉換電路，對脈搏信號進行數據采集#65377;但是微控制器GT60的A/D模擬信號的輸入范圍為0~3 V，因此對脈搏信號進行抬高，使負電壓部分抬高到0 V以上#65377;由于基線漂移#65380;人體活動#65380;工頻干擾等因素的影響，脈搏信號具有很大的噪聲干擾，系統進行了去噪設計#65377;

GT60與MC13192之間通過SPI總線進行通信#65377;設計時考慮到高頻電路對傳感器信號的干擾，傳感器調理電路與高頻發射接收部分分開設計#65377;天線設計是無線模塊設計的關鍵，它直接影響到傳感器節點的通信質量和通信距離，可以參照常用的2.4 GHz天線的設計方法#65377;本設計采用偶極子微帶PCB板天線，所有銅箔的走線均采用微帶傳輸線的原理以減少反射引起的傳輸損耗，能獲得比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度#65377;脈搏信號采集與發射電路如圖2所示#65377;

由于脈搏信號的頻率都在40 Hz以下，由Nyquist采樣定理可知，采樣頻率必須大于或等于兩倍的信號頻譜的最高頻率#65377;這里取采樣頻率為150 Hz，滿足信號不失真采集的要求#65377;脈搏傳感采集程序采用查詢方式對脈搏信號采集，然后通過無線發射模塊將數據信號發射到ZigBee網絡，信號接收端將接收到的信號通過串口傳到監護PC機#65377;在PC機上可以對脈搏信號進行實時顯示和分析#65377;

3測試實驗

采用基于ZigBee網絡的脈搏測試系統對脈搏信號進行了實時在線測試，測得的脈搏數據曲線如圖3所示，采樣頻率是150 Hz#65377;為了進行對比分析，將脈搏信號直接經過計算機采集，波形曲線如圖4所示#65377;

通過對比圖3#65380;4可以看出，經過ZigBee網絡采集到的脈搏數據信號波形基本沒有變形，驗證了無線網絡系統的可行性#65377;

4脈搏信號的時頻分析

為了獲得脈搏信號的更多信息，對脈搏信號進行分析#65377;ChoiWilliams分布 (CWD)^[3]是由HyungIll Choi和William J.Williams為了解決Cohen類分布中存在的交叉項干擾而提出的一種新的Cohen類時頻分布#65377;這種分布可以有效地減少交叉項同時又保留了信號的大部分有用信息，是目前比較好的時頻分布算法#65377;可以采用基于ChoiWilliams分布的時頻分析方法對脈搏信號進行處理#65377;

4.1ChoiWilliams分布的基本原理

4.1.1Cohen類時頻分布^[6~8]

信號的Cohen類時頻分布是一種移不變的二次型分布，具有統一的數學表示形式#65377;設s(t)是一實時非平穩信號，z(t)是與s(t)對應的解析信號，定義為z(t)=s(t)+jH[s(t)]#65377;其中H[s(t)]是s(t)的Hilbert變換，則信號z(t)的時頻分布定義為

核函數是決定和控制時頻分布性質的最主要因素，至今已有多種形式的核函數#65377;

由式(3)可得φ(τ，v)=exp-(2πτv)2/σ#65377;由此可以看出，在模糊平面原點附近加權大，而遠離原點處加權小;σ越大，抑制掉越多的交叉項，同時也使信號項自身有所削弱#65377;對于脈搏信號，σ可以取得小一些#65377;

4.1.2ChoiWilliams分布的離散形式

實際中應用ChoiWilliams分布時需要將之離散化，以便于利用FFT變換#65377;同時在式(1)的基礎上加入窗函數，其離散形式定義如下:

式中，WN(τ)為一對稱窗函數，在[-N/2，N/2]區間為非零值;WM(u)為一個矩形窗函數，在[-M/2，M/2]區間等于1;σ稱為尺度因子，為非零值#65377;

4.2脈搏信號的ChoiWilliams分布分析

對脈搏信號應用ChoiWilliams分布要根據信號的特點合理地選擇式(6)中的兩個窗函數的長度，本文中時間窗的長度定為131，矩形窗的長度為291#65377;窗口長度選得太小會影響分辨率，設置得到錯誤的結果;太長會加大計算的時間和對計算機內存的需求，所以窗口長度要選得適當#65377;另外從式(5)和ChoiWilliams分布的核函數可知，由于本文所分析的脈搏信號主要含有2~3個分量成分，為了不過多地削弱有用信號，文中尺度因子σ選擇為0.21#65377;對于頻率和幅值變換較大的多分量信號，σ可選擇大一點的值#65377;

采集兩個人的脈搏信號，得到兩組脈搏數據進行比較分析#65377;首先對所采集的兩組脈搏數據作FFT變換，用以確定這段時間脈搏信號所含的頻率分量;然后作時頻分析#65377;經筆者驗證，脈搏數據個數大于1 000點時，FFT變換有較好的分辨率#65377;圖5和6分別是兩組脈搏樣本數據的FFT變換及其ChoiWilliams分布時頻圖#65377;

從圖中可以看出，脈搏信號頻譜圖含有一系列譜峰值，但信號的頻率成分大部分在10 Hz以下，高于20 Hz的大部分為信號高頻噪聲#65377;比較兩種頻譜圖可以看出，低頻部分的頻率分量比較有規則#65377;從兩幅ChoiWilliams分布可以看出“時間—頻率”平面上的能量分布情況，低頻諧波分量占脈搏信號的大部分能量;但兩者的高頻分量差別較大，根據脈搏形成的機理，高頻成分包含更多的心血管#65380;局部微循環等生理特征，表明兩人的生理信息的區別#65377;同時，從CWD圖中也可以看出在不同的時刻，脈搏信號的主頻分量有些差異#65377;

5結束語

本文針對脈搏信號的移動監護，采用基于ZigBee技術的無線網絡實現了脈搏移動測試系統#65377;本系統能夠非常方便地隨時對人體的脈搏信號進行實時測量，并且采用FFT和時頻分布對脈搏信號進行了分析#65377;實驗結果表明，采用ZigBee無線網絡對脈搏進行移動監護是可行的，脈搏信號采用基于ChoiWilliams分布的時頻分析能夠反映出其包含的生理病理信息#65377;如果同臨床醫學結合起來，獲得更多的與臨床病例相結合的測量結果，則會更好地發揮其應用價值#65377;

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