基于藍(lán)牙傳輸?shù)男穆时O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭晏瑋，王新玲

（1 中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心 山西 太原 030012 ； 2 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

目前心血管疾病是死亡的主要原因，在英國(guó)它每年占所有死亡的39%。有心臟病的患者，約有30%的人甚至還沒(méi)到醫(yī)院就死了。盡管心臟病突然發(fā)作沒(méi)有前兆，心率不齊在發(fā)作之前是可以被發(fā)現(xiàn)的，它可能被用作心臟病發(fā)作的主要前兆。一個(gè)健康成年人的心率會(huì)穩(wěn)定在50～100次/s。當(dāng)每分鐘的脈搏數(shù)(即心率)低于50次時(shí)稱為心動(dòng)過(guò)緩，高于160次稱為心動(dòng)過(guò)速，心動(dòng)過(guò)緩和過(guò)速都可能會(huì)直接帶來(lái)生命危險(xiǎn)。所以對(duì)于心臟病人來(lái)說(shuō)，如果能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)其心率，在病發(fā)時(shí)迅速進(jìn)行搶救，無(wú)疑是幫助他們挽回生命的最佳方法。然而心臟病的病發(fā)并沒(méi)有確定的規(guī)律，而是跟病人的情緒、身體狀況和客觀環(huán)境都有著很大的關(guān)系，是難以預(yù)測(cè)的，而且一旦病發(fā)，病人無(wú)法自行處理時(shí)，則可能因?yàn)榈貌坏街委煻劳觥?以往的脈搏信號(hào)檢測(cè)采用有線連接方式，被監(jiān)護(hù)者的身上因安裝了傳感器設(shè)備而難以自由靈活移動(dòng)。系統(tǒng)不便于擴(kuò)展，修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成本較高，布線雜亂，易使灰塵堆積，不利于清潔[1]。

針對(duì)這一情況，本文提出了一種可以監(jiān)測(cè)病人的心率并實(shí)時(shí)反饋給監(jiān)護(hù)人員的監(jiān)測(cè)方案。設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙和單片機(jī)技術(shù)，并脈搏傳感器、無(wú)線通訊等先進(jìn)技術(shù)于一身的電子系統(tǒng)，它能夠在病人出現(xiàn)異常時(shí)實(shí)時(shí)的將心臟跳動(dòng)情況傳輸給監(jiān)護(hù)人員，醫(yī)生可根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)即時(shí)對(duì)其進(jìn)行治療。此系統(tǒng)基于藍(lán)牙的無(wú)線傳輸技術(shù)，可以通過(guò)人體隨身攜帶的無(wú)線終端采集脈搏數(shù)據(jù)，使采集系統(tǒng)具有移動(dòng)性，避免了被測(cè)人員使用傳統(tǒng)檢測(cè)儀器時(shí)，需要通過(guò)很多導(dǎo)線連接身體的麻煩和束縛，并可以采集到被監(jiān)測(cè)者活動(dòng)狀態(tài)下的脈搏信號(hào)。

1 心率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件部分設(shè)計(jì)

基于無(wú)線藍(lán)牙傳輸?shù)男穆蕶z測(cè)系統(tǒng)具有以下基本功能:

1)脈搏數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理；

2)與上位機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線互傳，并在終端設(shè)備顯示和存儲(chǔ)；

3)體積小，功耗低，實(shí)時(shí)性好，便于攜帶。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，整個(gè)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集和傳送部分（以MSP430F149單片機(jī)為核心的下位機(jī)）以及末端的數(shù)據(jù)接收、分析和處理部分（PC上位機(jī)）組成。下位機(jī)對(duì)病人的心率信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會(huì)通過(guò)藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸給上位機(jī)，以采取實(shí)時(shí)搶救。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 傳感器模塊

用于脈搏信號(hào)的獲取及數(shù)字化。包括脈搏傳感器、放大電路和A/D芯片AD976。脈搏傳感器采用PVDF壓電薄膜式壓力傳感器，它是一種高性能、低成本的震動(dòng)傳感器，具有抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，并具有很高的強(qiáng)度和很寬的頻響，它采用PVDF壓電薄膜作為換能元件，脈搏信號(hào)通過(guò)特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量再經(jīng)片內(nèi)放大電路轉(zhuǎn)換為壓電信號(hào)輸出。PVDF薄膜能夠很好地與皮膚接觸，柔性好且有很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性，即使在應(yīng)力作用下也不會(huì)影響檢測(cè)脈搏的壓力變化，故能檢測(cè)到微小的脈動(dòng)信號(hào)。經(jīng)前置放大電路放大后送入AD976，進(jìn)而送給單片機(jī)進(jìn)行處理[2]。

1.1.2 按鍵模塊

脈搏測(cè)量鍵負(fù)責(zé)測(cè)量脈搏并存儲(chǔ)；脈搏顯示鍵用于顯示存儲(chǔ)測(cè)量的脈搏數(shù)；解除鍵用于接到報(bào)警后解除警報(bào)鍵；NEXT鍵用于配合顯示鍵工作。

1.1.3 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊包含兩部分,一部分當(dāng)檢測(cè)的脈搏信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí),發(fā)出警報(bào)告之醫(yī)生以施救援；另一部分當(dāng)鋰電池電量不足時(shí)需要發(fā)出警報(bào)告之病者或醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行充電，以免發(fā)生錯(cuò)誤。

1.1.4 單片機(jī)與藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，要完成全部藍(lán)牙基帶、射頻以及部分HCI協(xié)議。系統(tǒng)采用愛(ài)立信的ROK101 008藍(lán)牙模塊，供電電源為3.3V。微控制器選用TI公司16位高性能MSP430系列單片機(jī)F149。藍(lán)牙模塊的ANT腳用于外接天線，其標(biāo)稱阻抗是50Ω。由于天線的方向和增益不同時(shí)，會(huì)影響通信距離，本課題采用一種直接印刷在PCB板上的倒F型天線進(jìn)行通信時(shí)取得了成功。ROK 101 008提供4種接口，本課題采用UART口連接藍(lán)牙模塊和微控制器MSP430F149，其最高波特率達(dá)到460 800 bit/s，本課題采用57 kb/s的速率[3]。由于鋰電池供電為3.7V,所以需經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換將電壓轉(zhuǎn)為3.3V供藍(lán)牙與單片機(jī)工作。藍(lán)牙模塊主要使用了4條UART信號(hào)線，2根數(shù)據(jù)線TXD和RXD，同時(shí)使用流量控制信號(hào)RTS和CTS。藍(lán)牙模塊在正常工作時(shí)，VCC、ON和VCC-IO腳都應(yīng)接高電平3.3V[4]。

藍(lán)牙模塊UART口的初始設(shè)置為速率57.6kb/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。PC上位機(jī)與藍(lán)牙模塊通信的基本過(guò)程：首先MSP430F149設(shè)置為與藍(lán)牙模塊同樣的通信模式，藍(lán)牙模塊發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)先由MSP430F149接收并存放在其接收緩存區(qū)中，然后MSP430F149請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)給PC，PC接收到請(qǐng)求后，如果同意接收，發(fā)送應(yīng)答信號(hào)， MSP430F149把緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)發(fā)送給PC[5]。完成傳輸后，PC上位機(jī)即電腦上顯示病人每5s被檢測(cè)到的脈搏數(shù)據(jù)，若正常則顯示正常并存儲(chǔ)，若出現(xiàn)異常則發(fā)出警報(bào)通知醫(yī)生緊急救治。

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)遵從結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，采用模塊化和自頂向下的規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

該系統(tǒng)的軟件部分包括上、下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序和子程序。

1.2.1 主程序

下位機(jī)主程序主要是監(jiān)測(cè)心率并完成藍(lán)牙的數(shù)據(jù)采集與傳輸。首先對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化，建立連接，接收到上位機(jī)傳來(lái)的采集參數(shù)后進(jìn)行信號(hào)采集，采集完畢后向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)值。若接收到通信終止指令則斷開(kāi)連接，單片機(jī)復(fù)位。流程圖如圖2所示。

上位機(jī)主程序一直處于接收狀態(tài),它根據(jù)下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)來(lái)工作。首先要打開(kāi)藍(lán)牙設(shè)備，對(duì)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置，包括流量控制、讀取本地藍(lán)牙設(shè)備的名字以及本地藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR等等[6]。接著就開(kāi)始建立連接等。在發(fā)起建立ACL連接的請(qǐng)求后，如果對(duì)方同意建立連接并且連接成功，那么將會(huì)獲取ACL連接的句柄，有了這個(gè)句柄，就可以發(fā)送ACL數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信。流程圖如圖3所示。

1.2.2 測(cè)量存儲(chǔ)脈搏子程序

測(cè)量鍵按下，下位機(jī)即調(diào)用測(cè)量存儲(chǔ)子程序，每5s完成1min的心率測(cè)量、顯示并在上位機(jī)中存儲(chǔ)。心率測(cè)量計(jì)算時(shí)采用滑動(dòng)平均值法。

1.2.3 報(bào)警子程序

報(bào)警子程序中,下位機(jī)只需向上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào).上位機(jī)接到信號(hào)后,即發(fā)出報(bào)警聲通知醫(yī)生進(jìn)行搶救。

1.2.4 顯示存儲(chǔ)子程序

圖2 下位機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件流程圖

顯示鍵按下后調(diào)用顯示存儲(chǔ)子程序。首先下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送顯示存儲(chǔ)信號(hào)，若有具體日期,上位機(jī)將存儲(chǔ)好的此日期數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)開(kāi)始顯示數(shù)據(jù)，若無(wú)要求上位機(jī)將存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)按照日期排序后發(fā)送給下位機(jī),若用戶按下NEXT[8]鍵，則顯示下一組數(shù)據(jù)。若30s內(nèi)無(wú)任何鍵按下，則自動(dòng)顯示下一組數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，使用該系統(tǒng)對(duì)1名被測(cè)者(靜坐狀態(tài)下)進(jìn)行脈搏波形的檢測(cè)。被測(cè)者為男性，身高175 cm。被測(cè)者自然放松保持坐姿，通過(guò)緩慢的深呼吸改變自身狀態(tài)，脈搏傳感器放置于手部指端。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，可以清晰地得出被測(cè)者的脈搏頻率大約為76次／min，且該模塊對(duì)脈搏頻率進(jìn)行測(cè)量的誤差范圍在±3之內(nèi)。該模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體的無(wú)線監(jiān)測(cè)，因此，可以通過(guò)脈搏波形在一定時(shí)間內(nèi)的變化和趨勢(shì)，評(píng)價(jià)用戶的心血管系統(tǒng)的健康狀況。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的基于藍(lán)牙傳輸?shù)男穆蕶z測(cè)系統(tǒng)，是在短距離內(nèi)替代有線傳輸?shù)牡统杀尽⒏呖煽啃苑桨福浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要大量的附加存儲(chǔ)設(shè)備，傳輸過(guò)程也不產(chǎn)生費(fèi)用，具有功耗低、體積小、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)真實(shí)性強(qiáng)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可用來(lái)檢測(cè)如心臟病患者和老年人等人群。采用的無(wú)線數(shù)據(jù)采集方式不影響人們的日常生活，更有效的幫助醫(yī)護(hù)人員對(duì)用戶的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)和防護(hù)。由于鋰電池要適時(shí)充電，正在研發(fā)借用脈搏跳動(dòng)來(lái)供電。

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