基于藍牙4.0BLE的移動心電監測系統*

柴繼紅，楊宏麗

（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

基于藍牙4.0BLE的移動心電監測系統*

柴繼紅，楊宏麗

（深圳職業技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

為解決心電圖參數監測的快捷性和實時交互性問題，實現疾病早發現早控制，本文提出一種基于Android平臺的無線心電監測系統方案．監測終端采用微控制器MSP430實現心電信號的采集放大和AD轉換，選用內置低功耗藍牙4.0BLE的CC2540，實現心電數據至智能健康手機的無線數據通信功能，并經3G移動通信網絡傳輸至遠端醫生的“健康檔案管理平臺”，實現醫患交互式移動醫療服務．

心電監測；藍牙；遠程醫療；CC2540

心血管疾病的發作往往是隨機的、短暫的，患者難以及時趕到醫院進行有效檢查．目前社會老齡化亞健康日趨嚴重，研究開發隨時隨地移動心電圖監測系統有很廣的應用前景．國外已經有基于iPhone開發的iPhoneECG產品，但基于Android平臺的類似產品還處于空白，因此，在智能手機應用最廣泛的開放性平臺開發移動醫療應用很有意義．本文提出一套便捷通用的解決方案，患者使用便攜式心電采集器采集心電信息，通過最新的低功耗藍牙4.0協議傳輸至智能手機網關，最終由3G移動通信網絡傳輸至遠端醫生的“健康檔案管理平臺”，實現醫患交互式移動醫療服務．本文將重點闡述系統的網絡架構，提出應用CC2540實現低功耗藍牙4.0通信協議的心電無線檢測終端的數據傳輸方案，以及采用微控制器MSP430FG439實現的心電檢測電路方案[1]．

1 系統概述

系統框圖如圖1所示，系統包括心電無線檢測終端、智能健康手機和健康檔案管理后臺．心電無線檢測終端采用低功耗微處理器 MSP430，實現心電信號的放大、濾波等基本處理，以及模數轉換，心電信號通過低功耗藍牙4.0BLE協議接口傳至智能健康手機，智能健康手機可登錄服務器查閱健康檔案，在必要時醫生端可通過3G物聯網訪問智能健康手機給出健康指導，實現醫患隨時隨地雙向溝通的虛擬醫院．

圖1 移動心電監護系統框圖

2 心電無線檢測終端硬件設計

心電無線檢測終端的硬件由3部分組成：心電放大及濾波電路模塊、MSP430主處理模塊和CC2540藍牙通信模塊，電路框圖如圖2所示．

2.1 心電放大及濾波電路模塊

臨床上用于診斷心臟病的主要技術之一是心電圖，心電圖機通過測量心電在體表的電位來推測心臟的疾病．本文研究的心電無線檢測終端采用電極在人體體表拾取的微弱電信號，因其信號頻率低、易受干擾，心電信號的采樣檢測電路就需要包括前置放大、后級放大、濾波電路等模塊．為滿足心電檢測的家用便攜等應用需求，心電無線檢測終端選用具有超低功耗和高集成度的16位微控制器MSP430FG439為處理核心，充分利于其內部集成的運算放大器進行信號放大電路的設計．

圖2 心電無線檢測終端電路圖

心電信號采集及預處理模塊主要功能包括：由ECG電極采集人體表面的微弱心電信號，采用儀表放大器INA321對該信號進行倍數為5的前置放大，50Hz陷波器濾除工頻干擾；主放大采用MSP430FG439內部的運算放大器，對ECG前端輸入的心電信號再進行100倍放大，這樣經過放大倍數Gain＝5×100=500放大的心電信號，能夠滿足AD轉換的電壓要求；經過12位的A/D轉換后，經由藍牙4.0無線傳輸模塊發送給智能健康手機[2]．

放大和濾波的模擬部分電路圖如圖3所示，包括前置放大、雙T濾波器和主運放3個部分．人體電極進入的信號首先通過前置放大電路，采用TI公司的儀表運放INA321，該器件的工作電壓為 2.7V，設定其放大倍數為 5倍．主運放采用MSP430FG439單片機內部的可編程運放OA0，電路設計為100倍的放大倍數，滿足后續AD轉換的電壓要求．

系統濾波包括 2部分電路：帶通濾波器和50Hz/60Hz陷波器．50Hz/60Hz陷波器采用雙T陷波器，以消除工頻干擾，如圖3中所示R6，R7，R8，C2，C3 和 C4組成的電路．

2.2 MSP430主處理模塊

心電無線檢測終端特點是小型化和便攜化，所以 MSP430FG439主處理模塊主要完成心電信號的采集、模擬放大、A/D轉換以及與藍牙無線通信模塊的數據傳輸功能．經過模擬放大后的心電信號傳輸到主處理模塊 MSP430FG439內部ADC的輸入通道A1，定時器Timer A實現512Hz的采樣頻率，觸發A/D轉換．Timer A的時鐘控制脈沖來自引腳ACLK，其頻率由32.768kHz的低頻晶體振蕩器產生．

2.3 CC2540藍牙通信模塊

心電無線檢測終端的藍牙傳輸模塊選用 TI公司完全支持藍牙4.0BLE協議的單片機CC2540，該芯片是一款高性價比低功耗的SoC，適合藍牙的低功耗應用．單個芯片上整合了51內核、藍牙RF射頻收發器、系統編程閃存、8kBRAM及其它強大的外設資源．CC2540集成了藍牙4.0低功耗協議棧，內部設計超低功耗的睡眠模式，以及睡眠模式與運行模式間的超低功耗轉換，能夠達到最低功耗僅0.4μA，即使在發射數據時所需消耗的通信電流也僅有24mA．

圖3 心電放大及濾波電路圖

3 藍牙4.0無線通信軟件設計

心電無線檢測終端的藍牙傳輸模塊軟件采用TI公司的藍牙4.0BLE協議棧，采用分層式軟件結構，BLE-Stack軟件結構如圖4所示，BLE-Stack協議棧大體分為協議棧文件與OSAL系統兩個部分．BLE-Stack就是將各層定義的協議都集合在一起，以庫文件函數的形式實現，并提供給用戶調用．OSAL實質上是一個簡單的多任務操作系統，能夠實現高效的任務資源分配和調度機制[3]．

3.1 BLE-Stack GAP層的應用

GAP層位于協議棧的頂層，將底層協議棧和收發數據的應用緊密聯系在一起，是為藍牙設備建立連接的核心．GAP層將設備定義為4種角色，包括廣播設備、觀察設備、從機及主機．將心電無線檢測終端的藍牙模塊定義為從機，負責發送數據報，響應智能健康手機發起的連接．因此，首先應進行初始化設置來定義設備角色．無論主機或是從機還應進行藍牙通信的連接參數配置，具體參數包括通信間隙、從機忽略、最大等待時間等．

藍牙設備之間的連接過程需要由主機發起，從機接受，雙方確認連接參數后即可確立連接實現數據通信．為了讓主機知道從機是一個請求連接的設備，首先從機需要發送一個數據報，報文內容包含設備地址和一些其它的設備相關信息，如設備名稱等；然后由主機發送“掃描請求”，從機應答并回復“掃描回應”；主機收到應答后再發送“連接請求”，從機應答并回復“連接回應”．這樣，心電檢測模塊和智能健康手機的藍牙模塊就完成了握手連接．

GAP層藍牙設備建立連接的函數調用流程如下：首先主機掃描外圍設備，在收到包含從機參數的SCAN-RSP數據包后，進行設備的初始化設置；然后主機調用 API函數GAP_DeviceDiscovery Request()實現設備發現，過濾SCAN-RSP類型的設備參數；主機完成設備發現后，獲得通過參數過濾的數據，調用 API函數GAP_ EstablishLinkRequest（）啟動與從機設備的連接．

圖4 低功耗藍牙軟件結構圖

通過配對實現了低功耗藍牙協議的數據安全功能．設備建立連接后，主機與從機進行配對，具體過程如下：從機申請密鑰口令以便進行配對，主機發送密鑰給從機，兩設備交換密鑰并加密認證鏈接．對于長期建立連接的設備可以通過綁定bonding來快速完成配對，以保證數據安全．

3.2 BLE-Stack GATT 層的應用

2個設備應用數據的通信是通過協議棧的GATT通用屬性層實現的．

GATT共定義了兩種角色，包括服務器設備和客戶端設備，心電檢測終端提供心電數據，因此定義為服務器并添加名為“心電儀”的服務，而智能健康手機則定義為客戶端．

在 GAP層心電檢測終端和智能手機已建立連接，在 GATT層，心電檢測終端調用 API函數GAT_TServApp_RegisterService()建立一個新的服務“心電儀”，然后將包括服務類型、屬性等服務參數的信息保存在一個屬性表中．智能手機調用API函數 GATT_DiscPrimaryServiceByUUID()發現服務，調用GATT_ReadUsingCharUUID()來獲取服務，從而完成心電數據傳輸．

3.3 操作系統抽象層OSAL的應用

藍牙4.0協議棧內加入了一個經量級的操作系統OSAL，用來管理應用層軟件中各種數據傳輸任務，完成任務的創建、調度、同步與互斥等多任務資源分配功能．對于不同優先級的任務采用搶占式任務調度策略，對于相同優先級的任務采用時分調度策略．

OSAL層通過事件驅動的輪詢機制實現系統低功耗設計，完成各層初始化之后，系統便進入低功耗模式，并在后臺輪詢是否有事件發生，當有事件發生時，系統被喚醒，進而查找事件表和函數表并執行相應的事件處理函數，事件處理完成后返回低功耗模式重新進行事件輪詢．

心電無線檢測終端的功能是將心電數據從MSP430主處理模塊采集并經過串口 RXT發送給CC2540模塊，然后CC2540再通過藍牙4.0協議發送至智能手機．CC2540的單片機軟件設計需要包括串口接收功能和藍牙收發功能．

OSAL的主程序工作流程大致分為初始化和啟動任務輪循兩個階段，流程圖如圖5所示．首先，OSAL初始化主要包括初始化硬件資源和軟件參數初始化．軟件參數初始化包括一些變量、任務的事件表和函數表等數據結構的初始化，系統默認定義的任務包括LL、HAL、GAP、GATT、SM等BLE-Stack各層次的處理任務．用戶自定義的任務有兩個，一個是藍牙收發數據任務BlueToothData，在該任務的初始化函數中配置GAP層的從機等參數特性、GATT的服務器等參數特性，設置一個操作系統虛擬層的SBP_START_DEVICE_EVT事件來觸發GAP層連接配置初始化，即在事件處理函數中設置GAP功能使設備處于可發現狀態，可以隨時接收并響應主機的掃描請求和連接請求以建立連接．另一個自定義任務是串口接收數據UartData，在該任務初始化中進行串口資源的初始化，包括波特率設置為115200bps、開串口中斷．初始化硬件資源主要包括對中斷系統、內存空間等內置及外設資源的初始化．

在各項初始化完成后，系統執行osal-start-system ()函數啟動OSAL系統，輪詢任務表．當檢測到串口中斷事件，則調度任務Task_UartData，并調用BLE-Stack已實現的串口讀數據函數HulUARTRead()，讀入心電數據，并設置UartDataEvent事件．當 OSAL系統檢測到任務Task_BlueToothDat的事件 UartDataEvent，則調度Task_BlueToothDat任務，將串口接收的心電數據通過藍牙協議發送出去．

圖5 系統主程序工作流程

4 智能健康手機

智能健康手機通過用戶層協議命令啟動心電數據的采集功能，采集1段連續的數據后，則進行信號處理、存儲、顯示，通過3G移動通信網絡發送到遠端健康檔案管理平臺，實現醫患交互式移動醫療服務．主要包括藍牙通信模塊、信號處理模塊、界面顯示模塊和3G傳輸模塊[4]．

藍牙通信模塊主要負責建立與心電無線檢測終端的連接，并通過建立藍牙Socket 通信連接來接收心電數據．首先需要在AndroidManifest.xml中聲明藍牙權限；然后獲取藍牙適配器并開啟藍牙功能；打開本機藍牙，在已經配對的藍牙設備當中查找，如沒有搜尋到心電無線檢測終端設備則搜索尋找新的藍牙設備；設置藍牙設備的底層通信功能，建立藍牙連接，使用自定義的通信協議完成心電數據的收發．心電數據的收發是逐段完成的，由智能健康手機發出請求數據命令，心電無線監測終端響應并傳輸心電數據，每段2分鐘的連續采樣．如果2分鐘數據不足，可重復發出請求命令并獲取數據，此應用層協議設計既能滿足典型數據的連續采集，又能避免長期采樣無效數據導致的流量損耗．

信號處理模塊對于接收的心電數據進行實時濾波預處理，并提取波形特征，計算心率參數．采用時域、頻域相結合的分析方法，引入移動窗口積分法增強QRS波形．采用整系數帶通濾波的梳妝濾波器增強QRS，然后五點微分進一步削弱P波和T波，最后通過平方積分增強QRS復波能量，這樣，結合積分波形和原始心電信號就可以準確定位R波，大量實驗證明該算法對于高幅度和長間期的QRS適用性好，計算心率準確率達99%[5]．

界面顯示模塊在智能健康手機顯示心電圖和心率參數．考慮到要發送的信息需具有準確性、實時性和高效性，因此，待接收的心電信號平穩后點擊發送按鈕，即可切換入3G傳輸模塊，通過移動通信傳輸介質實現心電信號的實時傳輸，用戶在數據傳輸完畢后，按照提示信息錄入用戶基本信息.這樣，用戶的健康參數即可在遠端的健康檔案管理平臺服務器中建立數據庫記錄，方便醫生的查詢診斷，并以短信的形式反饋診斷意見到用戶的智能健康手機．

圖6 系統運行界面

5 結 論

本文針對當前國內外家庭健康醫療系統中存在的應用需求，結合最新科技成果，提出一種新的解決方案——基于藍牙 4.0BLE的無線心電監測系統．系統充分利用MSP430FG439片上運放資源，CC2540片上系統傳輸便捷和低功耗特性，將智能手機作為系統通信網關，開發通用標準化應用軟件，利用3G移動通信網絡可以方便地將用戶心電數據傳輸到遠端醫生診臺，使用戶隨時隨地可以得到及時、有效、專業的醫療診斷和治療建議，從而大大提高醫療服務水平．

[1] 賈雪琴，包建軍，李建功．物聯網在智能心電監護上的應用[J]．信息通信技術，2010（4）：24-27．

[2] 李遠，蔣稼歡，章毅，等．基于JAVA手機便攜式心電監護分析儀的ECG信號采集模塊設計[J]．醫療衛生裝備，2011，32（1）：18-22．

[3] 錢志鴻，劉丹．藍牙技術數據傳輸綜述[J]．通信學報，2012，31（4）：143-151．

[4] 張莉，周子龍．基于 Android智能手機平臺的便攜式心電監護儀的設計[J]．中南民族大學學報（自然科學版），2012，31（4）：88-92．

[5] 侯立亞，吳水才，白燕萍．嵌入式心電監護儀的研制[J]．北京生物醫學工程，2005，24（6）：418-420．

Wireless ECG Monitoring System Based on Bluetooth 4.0

CHAI Jihong, YANG Hongli

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

In order to realize fast and real-time interactive ECG monitoring for disease detection and control, a wireless ECG monitoring system solution based on the platform of Android is presented in this paper. The monitoring terminal is designed by MSP430 to achieve ECG signal acquisition, amplification and A/D conversion. CC2540 with low-power Bluetooth 4.0 BLE-Stack is also adopted. The system can transmit wireless ECG data from the monitoring terminal to the smart phone, which is ultimately transmitted to the health records management platform of remote doctors via 3G mobile communication networks, thus offering an interactive mobile health service.

ECG monitoring; Bluetooth; telemedicine; CC2540

TP311

A

1672-0318（2014）05-0016-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 004

2014-06-10

*項目來源：深圳職業技術學院校級一般科研項目資助（2213K3180033）

柴繼紅（1979-），女，河南人，副教授，主要研究方向為醫療信息應用及嵌入式系統開發．楊宏麗（1970-），女，河北人，副教授，主要研究方向為嵌入式系統開發．