基于UHF RFID技術的無線脈搏血氧監測系統設計*

程嘉奇，謝　生，毛陸虹，陳力穎

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387)

基于UHF RFID技術的無線脈搏血氧監測系統設計*

程嘉奇1，謝生1，毛陸虹1，陳力穎2

(1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387)

摘要:針對我國人口老齡化和醫療資源緊張問題，設計了一種基于900MHz UHF RFID技術的無線脈搏血氧傳感系統。系統整體構架由光電傳感器、微處理器、RFID標簽、RFID閱讀器和上位機組成。光電傳感器和微處理器實時采集和處理脈搏血氧信號，RFID標簽和閱讀器實現數據無線通信，最終通過上位機完成數據收集和界面顯示。實驗結果表明：所設計系統與臨床用血氧檢測儀具有良好的一致性，且具有無線傳輸和低功耗的特點，為無線生物傳感芯片的設計開發提供了參考。

關鍵詞：無線傳感器網絡；射頻識別；健康監測；可穿戴系統；血氧飽和度

0引言

根據聯合國最新發布的《世界人口展望》，未來50年全球老齡化規模和比例迅速上升，到2050年，60歲以上人口的比例預計達到22 %，老齡化已成為全球性問題[1,2]。為應對我國人口老齡化高峰，民政部門、國有企業和消費者在未來5年的醫療保健支出將增長2倍，達到8萬億元人民幣[3]。而據世界衛生組織的統計數據，2012年中國每萬人口擁有醫生數僅為14.6人，遠低于歐美等發達國家的水平[3]。因此，在當前醫療資源緊張、就醫成本高及醫患關系復雜的環境下，如何充分利用信息技術構建智慧醫療服務平臺成為醫療衛生行業的研究熱點[4,5]。

近年來，隨著微電子、無線通信和傳感器技術的不斷創新，使得物聯網和無線傳感網絡得到快速發展，并被廣泛應用到醫療衛生行業中，于是便于患者穿戴的醫療檢測設備應運而生[6,7]。例如:劉廣偉等人利用2.4 GHz RFID技術，開發出可收集患者體溫和位置信息的生命體征定位系統[8]，但其并未涉及血氧脈搏信息的監測；而劉元建等人則基于ZigBee技術設計了社區心電監護系統[9]，但由于功耗較高，可穿戴性差。最近，浙江大學的曹端喜等人基于WiFi技術開發出了穿戴式嗅覺機器人進行氣味檢測[10]，然而WiFi技術成本較高。上述三種技術均基于2.4 GHz頻段，在同頻段內易相互干擾，系統穩定性較差。而符合ISO/IEC 18000—6C國際標準的、工作在900 MHz的UHF RFID由于成本和功耗低、抗干擾能力強的優點，且與物聯網和無線傳感網絡的融合性更好，因而具有更廣闊的應用前景。然而截止目前尚未看到900 MHz UHF RFID技術和生命體征檢測相結合的研究報道。

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C 協議的UHF RFID系統的無線通信、抗干擾能力強和低功耗等特點，同時結合光電脈搏血氧傳感器和微處理器等電子設備，設計了一種可實時監測和記錄患者脈搏血氧信息的生命特征傳感系統。實現了生命信息采集、數據處理、模塊間通信、無線傳輸和界面顯示等一系列功能，為實現可穿戴式的無線生物傳感芯片的設計開發提供了可借鑒的設計方案。

1檢測原理

對目前臨床廣泛使用的指夾式脈搏血氧檢測儀而言，其光電測試原理如圖1所示。發光二極管LED1和LED2分別發射紅光和紅外光，而人體組織另一側的光電探測器(PD)則負責接收透射光。由于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)與還原血紅蛋白(Hb)對兩種發射波長光的吸收特性不同，所以，可用分光光度法測定兩種光的吸收量之比[11]。

圖1　光電脈搏血氧探頭的檢測原理圖Fig 1　Detecting principle of photoelectric pulse oximetry probe

由于皮膚、肌肉、骨骼及靜脈血等人體組織對光的吸收恒定，所以當光透過這些組織后，PD可檢測到光強的直流分量。而動脈血中HbO2和Hb對光的吸收由血容量決定，所以,心臟搏動引起血容量的變化可由透射光的強弱來表征，即脈搏容積波形可直觀反映脈搏和透射光的交流分量。

根據光在人體組織中的擴散傳輸理論和Lambert—Beer定律[12]，紅光透過人體組織后的變化率WR與紅外光的變化率WIR之比為

(1)

根據HbO2和Hb對兩種不同波長光的吸收特性，可推導出血氧飽和度SpO2與光強變化的關系式

(2)

由于脈搏容積波形隨心臟搏動周期性變化，所以,通過測量相鄰脈動峰間的時間差即可換算得出脈搏頻率[13]。

2脈搏血氧傳感系統的設計

2.1系統構架

基于UHF RFID技術的脈搏血氧傳感系統的整體構架如圖2所示，其主要包括傳感器節點、RFID閱讀器和主控上位機(PC)三部分。其中，傳感器節點由脈搏血氧探頭(Probe)、數據處理模塊(DPM)和射頻標簽(RFID Tag)構成。閱讀器通過USB接口和上位機相連接，二者共同負責協調血氧脈搏傳感系統的管理任務，實時獲取所有節點的傳感信息，并規劃和協調各節點的行為[14]。傳感器探頭(probe)、數據處理模塊(DPM)和射頻標簽(RFID tag)則分別負責脈搏血氧信息的采集、處理和傳輸。

圖2　系統結構框圖Fig 2　Structure block diagram of system

2.2硬件設計

在實現系統基本功能的基礎上，設備的小型化、低功耗和穿戴舒適性也是設計的重要指標，所以,選擇合適的硬件是系統設計的關鍵步驟之一。在本文的設計中，傳感器探頭選用APMKorea公司生產的脈搏血氧傳感器，完成光信號的采集和A/D轉換。選用STC12C5A60S2型單片機作為數據處理模塊，可以滿足系統在功耗、工作電壓和處理速度方面的要求[15]。RFID標簽選用IDS Microchip公司的SL900A型UHF半有源標簽芯片。其工作頻段為860～960 MHz，內置片上EEPROM存儲器，可存儲數據信息，且功耗極低，記錄模式下的工作電流僅為200 μA。

節點的硬件連接如圖3所示。光電傳感器通過UART格式的RS—232通用接口與主控單片機STC12C5A60S2連接，以讀取傳感器中的血氧脈搏信息，而單片機通過SPI接口和通用I/O接口與 RFID標簽相連，對標簽運行參數進行配置，并將傳感器采集的信息寫入標簽內置存儲器。

圖3　節點的硬件連接圖Fig 3　Diagram of node hardware connection

2.3軟件設計

系統工作流程如圖4所示。當啟動系統主程序后，首先進行初始化，然后等待上位機向閱讀器發送查詢傳感信息的命令。若未收到上位機的查詢命令，則系統保持初始狀態；若接收到查詢命令，則閱讀器通過空間電磁波向RFID標簽順序發送選擇(select)、盤存(query)和訪問(access)命令。當標簽接收到查詢命令后，通過數據處理模塊向血氧脈搏傳感器發送使能信號激活傳感器，完成相應的數據采集，并將信息發送回數據處理模塊，數據處理模塊對接收到的數據格式進行校驗。若通過格式校驗，則系統對所接收數據進行提取和分析處理，計算血氧飽和度和脈搏數值；若未通過校驗，則返回初始狀態重新測量。隨后數據處理模塊和標簽通過SPI接口進行通信，實現對標簽的配置，通信數據如圖5所示。DPM向標簽發送使能信號(sen)、系統時鐘(sclk)和數據輸入(datain)三種信號，在使能信號輸出高電平后，對應系統時鐘發送三組數據輸入，分別為命令類別、存儲器地址和數據內容，其中,命令類別0x00配置為寫入命令。RFID標簽通過空間電磁波將脈搏血氧信息傳送回閱讀器和上位機。上位機中的脈搏血氧信息利用Microsoft Visual C++開發的圖形界面程序實時顯示和記錄，以便醫護人員查閱患者的當前和歷史數據。完成一次信息采集后，系統進入休眠狀態，在定時器程序計時結束后，系統返回初始狀態，并重新開始下一輪數據采集處理流程。

圖4　軟件工作流程圖Fig 4　Working flow of software

圖5　SPI通信數據Fig 5　SPI communication data

3實驗結果與分析

基于上述設計思路和器件選型，搭建了如圖6所示的脈搏血氧傳感系統進行驗證。為驗證本系統測試結果的準確性，同時選用康泰CMS50F型脈搏血氧儀作為參考。實驗測試對象為10名無心肺疾病和家族遺傳史的成年人，靜坐3 min后開始測試，待觀測數據穩定后記錄結果。血氧飽和度和脈率測試結果見表1。

圖6　脈搏血氧監測系統的驗證平臺Fig 6　Verification platform of pulse oximetry monitoring system

編號年齡性別標簽血氧飽和度/%脈率/bpm 血氧儀血氧飽和度/%脈率/bpm160男97759776260女98529853338女98769877437男96729673526女98769776626男98799779724男98529854824男99659965923男966297621023男98809780

由表1可見，盡管取樣患者的血氧飽和度和脈率存在個體差異，但本文設計的脈搏血氧監測系統與康泰血氧儀的測量結果基本一致，血氧飽和度和脈率的最大誤差分別為±1 %,±2 bpm，如圖7所示。由此可見，本文設計系統可精確、實時地采集脈搏和血氧飽和度信息，實現傳感標簽和閱讀器間的無線通信，達到了設計要求。

圖7　脈率和血氧飽和度的誤差分析Fig 7　Error analysis of pulse rate and blood oxygen saturation

4結論

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C協議的 UHF RFID技術，設計了一種可實時監測患者脈搏血氧信息的無線傳感系統，并與臨床用脈搏血氧儀進行了對比實驗。二者血氧飽和度的最大測量誤差為±1 %，而脈率的最大測量誤差為±2 bpm。實驗結果表明：本文設計的脈搏血氧傳感系統與臨床用血氧檢測儀具有良好的一致性，且具有低功耗和無線傳輸的特點，為未來無線傳感芯片的設計提供了設計參考。

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Design of wireless pulse oximetry monitoring system based on UHF RFID technique*

CHENG Jia-qi1,XIE Sheng1,MAO Lu-hong1,CHEN Li-ying2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China；2.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Abstract:To relieve social issues caused by population-aging and insufficient medical resources,a wireless pulse oximetry monitoring system based on 900MHz UHF RFID technique is designed.The whole system is composed of photoelectric sensor,microprocessor,RFID tag，RFID reader and host computer.Photoelectric sensor and microprocessor realtime acquire and process pulse and oxygen saturation signal,RFID tag and reader realize wireless communication of data.Finally,the host computer achieves data acquisition and real-time displays.The experimental results show that the designed monitoring system can has characteristics of wireless transmission,and low power consumption provide a reference for design and development of wireless biosensing chip.

Key words:wireless sensor networks(WSNs);RF identification;health monitoring;wearable system;oxygen saturation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0070—04

收稿日期：2015—09—24

*基金項目：天津市應用基礎與前沿技術研究計劃資助項目(15JCYBJC16300)

中圖分類號：TP 212.3;TP 274.2

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0070—04

作者簡介:

程嘉奇(1992-)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要研究方向為數字集成電路設計、射頻識別技術。