超低功耗無線傳感心電信息監控系統設計

呂海洋, 張鵬輝, 鄧建國, 王中方

(西安交通大學 電子與信息工程學院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著醫療水平與信息技術的不斷發展以及人口的老齡化，傳統以治療為主的醫療模式逐漸轉向以預防為主的新型模式。建立起以醫院為中心，社區家庭、個人為節點的遠程監護網絡的需求日益增加。伴隨著物聯網的發展、網絡的普及以及成熟的嵌入式微電子技術，基于物聯網技術的面向家庭個人的小型化低成本低功耗的無線傳感生命信息采集監控系統的實現成為可能。

目前已有的面向個人的系統大部分只是簡單的檢測用戶心電特征，不能有效地利用網絡進行遠程監護，并不能做到有效地防護；而有部分遠程監護系統利用ZigBee、藍牙等無線協議網絡實現數據傳輸和監護，但是由于協議過于復雜，而且功耗高，因此在成本功耗方面實現開發并不如人意。另外目前在已有的系統中面向大部分群體的界面直觀、操作簡單的PC和移動終端應用程序的缺失給信息時代用戶的使用也帶來了極大的不便。

本文所述系統的采集處理電路采用超低功耗處理器以及在數據發送發面采用功耗和成本遠低于低功耗ZigBee協議的ANT協議，使整個系統功耗和成本大大地降低，增加該便攜式系統的使用時間。而且隨著目前家用PC和移動Android藍牙終端的不斷普及，開發了界面直觀操作簡單的應用軟件端，使該系統更容易被各類用戶接受和方便使用。使用戶在平時準確直觀地掌握自己的健康狀況，并且在發生危險和異常的時候發出報警及時通知醫療中心進行救護和治療。本系統還能夠即時記錄異常數據信息，提供醫院在平時所不能獲取的信息協助醫生進行準確的診斷和救治?；颊咭材苁褂脗€人PC和手機應用隨時隨地方便地記錄、查詢自己的健康情況。

1 系統總體結構

系統總體結構框圖如圖1所示，包括前端信號調理處理和ANT無線發送電路、搭載有ANT_USB接收模塊的個人PC終端上位機應用、ANT到藍牙協議轉換模塊以及移動Android終端應用。

圖1 系統總體框圖

本系統首先通過調理電路將連接在肢體或胸部的導聯電極采集的心電信號進行濾波放大，主控微處理器的AD轉換器采集調理后的生命信息信號并進行初步分析處理和危急特征提取。微處理器根據初步分析處理的結果，按照不同模式通過以SPI同步串行接口連接的ANT無線發送模塊發送數據。接收端為搭載有ANT_USB接收模塊的PC機和移動Android終端。移動Android終端需要通過便攜式ANT轉藍牙模塊來接收生命信息數據。當PC上位機或Android監控終端接收到數據之后，數據管理與診斷分析程序顯示出實時心電圖和心率信息并進行疾病的診斷，顯示診斷結果。當發現異常時，發出警報并可將結果通過TCP/IP網絡或移動互聯網發送至遠程醫療中心。

由于前端信號調理電路不是本文對系統設計所要重點闡述的部分，所以本文主要對數據的處理、無線收發軟硬件設計和終端應用程序設計做介紹。

2 無線ANT協議及前端軟件設計

2.1 無線ANT協議介紹及模式選擇

本系統無線傳輸采用挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片為基礎構建無線ANT網絡模塊。目前無線傳輸技術有ZigBee、WIFI、Bluetooth等，但通過對比這些比較成熟的協議中ANT和ZigBee協議在功耗和開發成本方面更有優勢，而ANT協議芯片的功耗更是比ZigBee協議芯片低，僅用一塊紐扣電池的工作壽命是ZigBee的5倍以上。在開發成本方面，ANT對控制器的資源要求只是ZigBee的1/5,因此為了進一步的降低成本和功耗，本系統采用ANT協議作為無線收發協議。挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片已經集成了ANT協議棧。ANT與ZigBee協議的參數對比如表1所示。從表中可以看出ANT在開發成本和功耗性能等方面遠遠低于ZigBee[1]。

表1 ANT與ZigBee協議參數對比

在PC端采用集成NRF24AP2芯片和USB接口的AP3000模塊[2]作為無線接收模塊進行數據接收。

ANT協議有三種數據發送模式，分別為廣播模式、應答模式、突發模式。本發明中為了將經過分析處理的數據既能正確，又能節約能耗地發送給接收端，采用不同模式發送不同數據。采用應答數據模式發送采集到的原始數據，供上位機畫出心電圖以及數據進一步分析使用；采用突發模式發送經過微處理器計算處理后的結果，如心率值、RR間期以及本系統為其他生命特征參數(體溫、血氧飽和度等)預留數據位；由于本模塊采用同步模式進行數據發送，因此在有效數據發送的間期采用廣播模式發送數據維持通道的同步。

2.2 MCU處理控制與無線ANT發送軟件設計

本發明中采用TI公司MSP430G2553超低功耗微處理器構建中心處理單元[2]。MSP430單片機在低功耗方面表現出色，支持快速休眠，大量節省系統能耗，并且在惡劣條件下工作性能穩定[3-4]。所采用的G2553型號加載有自主設計的危急特征提取算法，能夠滿足設計的需求。

圖2所示為前端節點各模塊連接圖，圖3所示為前端節點控制軟件流程圖。主要過程為在信號調理電路預處理心電模擬信號之后，超低功耗微處理器MSP430通過內置的10位AD轉換模塊(采樣精度為3 mV)對模擬數據進行采集和轉換，采樣周期為5 ms，并將轉換后的數據取高8位后放入接收無線發送緩存和特征診斷緩存。其中為了讓采集到的數據能夠及時通過ANT無線通信協議發出去，設置ANT通道速率為50 Hz即以400 Byte/s的速率(數據轉換速率為200

圖2 前端節點模塊連接圖

圖3 前端節點控制軟件流程圖

Byte/s)將數據送入無線通道進行傳輸。而且無線發送緩存采用雙8 Byte緩存，當前一個緩存滿時就將標志位置1，并將緩存數據通過ANT協議應答模式發出標志位置0，當后一個緩存滿時標志位置2并將緩存數據通過應答發出標志位置0。

如圖4所示為適應MSP430G2553微處理器的內部資源節約成本而設計的心電特征診斷軟件程序流程圖。主要思想是當特征診斷200 Byte緩存滿時，對所存儲數據取最大值也即心電信號R峰附近的最大值，將該值減去10作為R峰探測的閾值對后面采集的數據進行探測，并且每5 min更新一次特征診斷200 Byte緩存并重新確定一次閾值，避免個體差異等多方面的影響。獲取閾值之后，每次轉換完成數據與閾值進行比較，若大于閾值然后將計數標志置0，等到后續檢測到連續100個左右數據小于閾值則表明剛才檢測到的是一個R峰，將心跳計數beat+1，當beat等于3時，用三次心跳采樣的數據數計算出平均心跳率heartrate=36 000/pulseperiod和RR間期并進一步進行診斷，并將計算得到的心率值heartrate和RR間期通過ANT協議突發模式發送出去[5-7]。

圖4 心電特征診斷軟件流程圖

由于本模塊采用同步模式進行數據發送，因此在分別采用應答和突發模式發送原始心電數據和計算的診斷數據的空閑間隙采用廣播模式發送數據維持通道的同步。

MCU與無線ANT模塊之間采用SPI同步串行接口連接。其中ANT無線模塊配置為SPI主機模式，MSP430處理器配置為SPI從機模式。

ANT協議通信軟件的設計如下：

應用層：實現狀態機設置和維持ANT 通道，數據收發以及控制。

接口層：解釋應用層到ANT消息的函數調用，使用串行端口驅動程序來與ANT交換消息。

串行端口驅動：實現ANT字節同步，直接在硬件上對接口進行操作；其過程如圖5所示。

整個ANT協議通信的主要功能如圖6所示[8]。

3 ANT轉藍牙模塊的軟硬件設計

3.1 ANT轉藍牙模塊的硬件設計與實現

由于手機等移動終端一般配置有藍牙裝置，而藍牙設備成本和功耗都遠大于ANT，因此為了節約前端節點的成本和功耗，同時為了在手機等移動終端使用該系統，在數據發送至手機之前采用ANT到藍牙的協議轉換模塊，利用該數據中繼轉換模塊既可以和搭載有藍牙的移動設備很好的配對又可以極大的降低前端設備的成本和功耗，進而降低整個系統的成本和功耗。而且藍牙硬件設計和軟件協議都相當成熟，傳輸效果穩定，開發方便。

圖5 同步串行通信控制圖

圖6 ANT通信軟件主要功能

如圖7所示為ANT與藍牙協議數據轉換模塊連接圖，其中ANT無線發送模塊AP2000[9]與MSP430微處理器之間依然采用SPI同步串行接口連接，AP2000配置為主機，微處理器配置為從機。MSP430與藍牙模塊HC-05通過異步串行接口UART連接。數據通過MSP430處理器進行轉發。

圖7 協議轉換模塊連接圖

經過設計加工制作，本系統協議轉換模塊的整體大小僅為20 mm×25 mm，可以方便地戴于手腕等部位，方便攜帶使用。

3.2 ANT轉藍牙模塊的軟件設計

圖8所示為協議轉換模塊軟件流程圖。

該系統中終端Android移動設備，通過應用程序配置打開藍牙并接受數據轉發模塊數據，并進行進一步分析處理之后進行顯示和診斷，在發現異常時發出報警信號將數據在應用端通過移動互聯網傳送至遠程醫療中心。

圖8 協議轉換軟件流程圖

4 PC端上位機應用程序軟件設計

在PC端基于.NET4.0平臺和C#語言編寫了上位機軟件，并采用ADO.NET數據庫訪問技術，通過用戶的簡單操作將用戶的個人信息存入Microsoft SQL Server 數據庫中。應用程序在通過ANT_USB接收到信息之后實時的畫出用戶的心電圖、顯示診斷結果并將結果和有問題的數據自動的保存到數據庫中以供用戶查詢；在檢測到異常情況時，能發生報警提醒用戶，用戶在軟件端可以通過簡單的操作和遠程醫療監控中心進行通信，讓醫生進行診斷[10-13]。

應用軟件的工作過程為：啟動應用程序之后，用戶輸入個人信息，在輸入完畢之后，程序通過.NET Framework數據提供程序Connection對象連接Microsoft SQL Server數據庫文件，并通過Command對象將用戶信息寫入該文件中供以后查詢；在用戶輸入完畢點擊啟動系統后接收模塊開啟通道進行數據接收，在收到數據時，將數據存入接收緩存，并在接收緩存收滿數據之后調用庫中畫圖函數畫出實時心電圖，之后每次收到新數據都依次放入接收緩存，并從存放位置開始循環到最后存放位置前畫出心電圖，這樣就可畫出實時動態的心電圖；同時將心電分析結果顯示在軟件中和通過連接數據庫記入數據庫。用戶可以隨時查詢記錄的信息和數據分析結果，查詢過程是在用戶點擊查詢記錄按鈕之后，軟件通過Connection對象連接數據庫，通過DataSet(數據集)對象在內存中創建臨時數據庫并通過DataAdapter對象將數據存放數據庫文件內容復制一份進入臨時數據庫dataset中，在用戶選擇主要查詢條件如時間、姓名、心律狀態等關鍵信息之后，系統自動將與查詢條件相匹配的數據顯示在綁定的控件上。

5 Android移動終端軟件設計

Android手機終端軟件的設計思想基本與PC端上位機軟件一樣，主要不同的有終端通過打開內置藍牙模塊與數據發送端藍牙進行設備的配對，在配對成功之后可以接收到數據發送端發送的數據，并通過基于Android平臺設計應用軟件，顯示心電信息。

基于Eclipse 集成開發編譯環境和SDK(Android軟件開發工具包) ADT( Android開發工具)JDK(JAVA編譯軟件)開發應用軟件[14-15]。打開應用軟件之后通過提示打開終端硬件配置的藍牙，并搜尋周圍藍牙設備，搜到目標設備并進行配對之后，可以接收數據發送端藍牙發送的數據信息，并將數據存入接收緩存，進行處理和解碼轉換之后將數據通過描點畫圖畫出實時心電圖，并預留接口為后續的數據處理和網絡應用做準備。

6 結 語

本文介紹了超低功耗無線傳感心電信息監控系統設計與實現過程，包括系統的總體設計以及各個模塊的軟硬件設計過程和主要實現方法。

本系統通過物聯網技術將生命信息調理電路、低功耗數據處理模塊、ANT無線傳輸模塊、協議轉換模塊、PC上位機、Android終端應用和遠程醫療中心聯系起來，形成一個新的個人健康監護系統結構，并且功耗小成本低而且整套系統操作方便簡單。

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