運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程心率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙田　張瑾

摘 要：在信息化的時(shí)代背景下，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展。無線通信技術(shù)的出現(xiàn)極大的推動(dòng)了很多領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。在本次研究中，筆者關(guān)注的是遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域，以單片無線收發(fā)一體芯片nRF905和AT89S52單片機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一套針對(duì)運(yùn)動(dòng)員的遠(yuǎn)程心率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。筆者首先介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路，接下來分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測試，測試結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效的實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程心率；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在本次設(shè)計(jì)中，筆者選擇了單片無線收發(fā)一體芯片nRF905和AT89S52單片機(jī)，nRF905是一種新產(chǎn)品，研發(fā)單位是挪威Nordic VLSI企業(yè)。在正式開始系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作之前，筆者首先對(duì)nRF905和AT89S52開展了一系列的研究，主要包括：第一，nRF905的具體結(jié)構(gòu)；第二，nRF905的工作原理；第三，AT89S52的工作原理，以及各項(xiàng)功能等。上述工作是保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以順利得到開展的基礎(chǔ)和前提。總的說來，筆者對(duì)于運(yùn)動(dòng)員遠(yuǎn)程心率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路如下：第一步，獲取運(yùn)動(dòng)員的心率信號(hào)。需要用到的設(shè)備有心電電極和心電傳感器；第二步，對(duì)心率信號(hào)通過無線的方式進(jìn)行發(fā)送。此時(shí)需要借助的設(shè)備主要是無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器，其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的就是nRF905；第三步，處理心率信號(hào)，并獲得心率數(shù)據(jù)。在處理心率信號(hào)時(shí)，主要使用的方法是濾波。之后還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，方便相關(guān)人員使用上述信號(hào)。在本系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)傳輸裝置是必不可少的，該裝置主要包括三個(gè)組成部分，分別是收發(fā)器nRF905、AT89S52單片機(jī)以及顯示結(jié)構(gòu)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾個(gè)部分：

1）心率信號(hào)的采集。在收集運(yùn)動(dòng)員的心率信號(hào)時(shí)，發(fā)揮關(guān)鍵作用的設(shè)備主要有兩個(gè)，分別是心電電極以及心電傳感器。其中，心電電極的主要作用是：對(duì)運(yùn)動(dòng)員的心臟活動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集處理，并進(jìn)一步將去傳遞到心電傳感器。心電傳感器的主要作用是：對(duì)接收的心臟信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，具體流程包括：增大原本微弱的信號(hào)、對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理等。此外，心電傳感器還可以將處理好的心率信號(hào)傳遞到無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器。本系統(tǒng)使用的心電電極和心電傳感器具有下述優(yōu)勢：第一，在工作過程中可以有效的抵御環(huán)境中的干擾因素；第二，運(yùn)行時(shí)需要的電量不是很多等；第三，在采集運(yùn)動(dòng)員的心率信號(hào)時(shí)，對(duì)運(yùn)行員的產(chǎn)生的影響相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)員可以保持正常的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2）前置放大電路。前置放大電路的主要組成部分就是前置放大器，筆者選擇的是AD620儀表放大器。選擇該組件的主要原因是：控制增益的大小，如果增益過大的話，就可以導(dǎo)致心電放大器出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3）心率信號(hào)的無線發(fā)送。一般來講，心率傳感器可以將心率信號(hào)傳遞的最遠(yuǎn)距離是一米，而在遠(yuǎn)程監(jiān)測領(lǐng)域，監(jiān)測范圍肯定超過了一米，這就為心率信號(hào)的發(fā)送提出了新的要求。為了解決上述問題，筆者選擇了nRF905，借助于無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測的需求。

4）心率信號(hào)的接收。nRF905還具有接收信號(hào)的能力，因此筆者在設(shè)計(jì)無線信號(hào)接收器時(shí)，也選擇的nRF905。總的說來，在無線數(shù)據(jù)傳輸中，主要包括三種類型的系統(tǒng)，分別是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)以及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)。筆者選擇的系統(tǒng)模式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，這主要是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中數(shù)據(jù)終端的數(shù)量是1。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)一共由三部分組成，分別如下：

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)主要包括下述幾部分內(nèi)容：第一，對(duì)程序的初始化進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)工作打好基礎(chǔ)；第二，調(diào)整nRF905的狀態(tài)，保證其可以正常接收信號(hào)。當(dāng)nRF905正常運(yùn)行時(shí)，如果有信號(hào)傳遞過來的話，此時(shí)信號(hào)會(huì)被進(jìn)一步傳遞到LCD；如果沒有信號(hào)，nRF905就保持在查詢狀態(tài)。

3.2 nRF905軟件設(shè)計(jì)

在開展nRF905的軟件設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要包括兩部分內(nèi)容：第一，設(shè)計(jì)nRF905的讀寫程序，確保讀寫操作可以順利開展；第二，活動(dòng)模式時(shí)序。

3.3 發(fā)送模式軟件設(shè)計(jì)和接收模式軟件設(shè)計(jì)

筆者選擇的模式是ShockBurst，該模式的主要優(yōu)勢是當(dāng)傳輸包開始工作之后，該模式總是能保證數(shù)據(jù)達(dá)到目的地，而且當(dāng)一次傳輸工作結(jié)束之后，新的模式馬上開始又一輪的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)接收中發(fā)揮主要作用的是nRF905，nRF905可以根據(jù)實(shí)際需要變換模式。

4 系統(tǒng)性能測試

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建工作之后，筆者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，確保系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，具體測試過程如下：

4.1 誤碼率測試

在開展誤碼率的測試工作時(shí)，筆者選擇的測試地點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)場，測試條件如下：第一，將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離控制在一百米；第二，將發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率控制在10dBm；第三，將數(shù)據(jù)傳輸速率控制在75kBPS；第四，發(fā)射正弦信號(hào)之后，接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行整理，最終得到本次測試的誤碼率，測試結(jié)果要比1/1000好，這說明本系統(tǒng)的誤碼率是可以接受的。

4.2 整機(jī)測試

整機(jī)測試是非常重要的額，通過整機(jī)測試可以了解系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否合理。筆者找了一些運(yùn)動(dòng)員來協(xié)助完成整機(jī)測試，測試結(jié)果是：心率數(shù)值為每一分鐘91次，St幅度的數(shù)值是45，這說明本系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

在本次研究中，筆者主要設(shè)計(jì)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)員的遠(yuǎn)程心率數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，提供遠(yuǎn)動(dòng)員的心率數(shù)據(jù)信息。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉輝.基于藍(lán)牙傳輸?shù)腁ndroid手機(jī)心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].江蘇大學(xué)，2016.

[2] 郭帥.帶有GPRS遠(yuǎn)程傳輸和無線傳輸功能的智能無創(chuàng)血壓/心率計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[3] 穆清秀.全國優(yōu)秀U14女子足球運(yùn)動(dòng)員集訓(xùn)期間心率監(jiān)控的應(yīng)用研究[D].遼寧師范大學(xué)，2012.

[4] 方勇軍，王云景，喻錫成，趙紅旗，劉勇.潛水員水下心率實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，（05）：13-16.

[5] 陳丹萍，周家驥，陸大江.射擊運(yùn)動(dòng)員心率與命中率的監(jiān)測與調(diào)控[J].上海體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（03）：53-57.

作者簡介：趙田（1994-），男，陜西人。