基于ZigBee的心率檢測系統設計

吳紹聰，高常青，曲愛濤，余 超，楊 波

（濟南大學，山東 濟南 250022）

0 引 言

隨著科技的發展，智能醫療逐漸成為了人們關注的方向。心率作為人體的一項重要生命體征，在臨床監護中可以作為醫生實時判斷病人生理變化的重要指標。目前，大部分醫院通過心率監測儀器對病人的心率進行檢測，醫護人員需要定期查看病人心率情況并進行登記。這種情況下，一方面需要護士定期對病患進行觀察，增加了護士的工作量，而且人工登記的方式容易產生失誤；另一方面，當病患的心率出現緊急情況時，護士較難及時發現并治療。同時心率監測儀體積龐大，價格相對昂貴，檢測時還需要在患者身體上進行復雜的布線。鑒于以上問題，本文設計了一款心率檢測系統，可用于實時檢測被測者的心率情況，并且可以通過無線網絡進行遠程通信，用戶也可以遠程監測被測者的心率信息。該系統省去了復雜的布線環節，節約了成本和工作量。

1 整體方案設計

本文開發的基于ZigBee的心率檢測系統，其總體結構如圖1所示。系統主要由心率監測終端、ZigBee無線通信網絡、監測軟件系統三部分組成。

本系統通過心率監測終端設備對病人的心率進行檢測，利用處理器對采集的數據信號進行算法處理，獲取最終心率信息；然后采用ZigBee無線通信模塊實現數據的遠程傳輸，將信號發送至PC主機端；最后在軟件平臺中進行圖形化顯示，同時連接SQL Server數據庫進行數據保存，為后續醫護人員治療病人提供參考。

圖1 系統總體結構

2 硬件設計

系統的監測終端主要負責對病人的心率進行實時檢測。主要由Arduino UNO控制板、XBee S2C無線模塊、MAX30102心率傳感器、帶IC接口的OLED顯示屏和蜂鳴器構成。結構如圖2所示。

圖2 監測終端結構

2.1 Arduino UNO處理器

監測系統的主控單元采用Arduino UNO處理器。Arduino是一個開放源碼式的電子平臺，提供易用、靈活的硬件和軟件。Arduino UNO作為目前使用率最多的開發板，其處理器采用ATMEGA328P芯片，擁有存儲量大的FLASH和RAM；同時具有豐富的I/O外圍接口，輸入電壓為7～12 V，工作電壓為5 V。它配有專門的USB接口，能夠通過USB線與電腦連接，實現程序的燒錄和數據傳輸，而且可以直接為開發板供電，開發板還可以通過AC-DC適配器或電源上電。

2.2 MAX30102心率傳感器

病人心率采集模塊采用Maxim公司2016年推出的心率傳感器MAX30102模塊。其本身集成了一個660 nm的紅光LED光源和一個880 nm的紅外光LED光源、光電檢測器、光器件以及對環境光進行抑制的低噪聲電子電路。芯片采用1.8 V內核供電，標準的IC兼容通信接口，可以應用于可穿戴設備上實現心率的采集檢測。其引腳SDA、SCL、VIN、GUD分別接于Arduino處理器的A4、A5、5 V、GND端口。

2.3 XBee S2C無線模塊

組網通信模塊采用XBee S2C無線模塊。該模塊是由美國DIGI公司開發的一款集成ZigBee協議的無線通信模塊。其工作頻段為2.4 GHz；與其他ZigBee模塊相比，具有良好的通信距離和抗干擾能力，能夠實現遠程低功耗的數據傳輸。實際工作中模塊底板中的TX和RX引腳與Arduino控制器中的TX和RX引腳連接使用。

2.4 顯示報警模塊

信息顯示采用0.96寸OLED顯示屏，帶有IC接口與Arduino控制器連接，用于終端顯示病人的心率信息。報警模塊采用蜂鳴器進行報警，當病人的心率出現異常時，蜂鳴器聲音提示醫護人員進行治療。電源模塊為Arduino控制器模塊、MAX30102心率傳感器、XBee S2C通信模塊、顯示屏和報警模塊進行穩定電壓輸出。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分主要包括心率監測終端設計、信號處理以及上位機信號顯示部分。心率監測終端部分采用C語言在Arduino IDE軟件程序開發平臺上完成編程，利用Serial串口函數與ZigBee無線通信模塊進行數據傳輸。上位機信號顯示部分通過VB.NET在Visual Studio平臺上進行設計。

3.1 終端流程設計

心率傳感器工作原理為光電容積法，即驅動兩種不同波長的光源交替照射至病人的手腕橈動脈處。由于皮膚內含有血管組織，會對照射的光線進行吸收。當心臟收縮或舒張時，血管中血容量發生變化，光吸收量相應也產生變化。光強度的周期性變化反映了心臟的脈動周期，形成脈搏波信號。

心率檢測終端流程如圖3所示。系統在實際工作過程中，初始化操作后，MAX30102心率傳感器模塊首先對病人的信號進行采集，從而獲得光電容積脈搏波信號。然后將信號傳輸至Arduino處理器，處理器通過微分閾值法對信號進行處理并提取特征點，后續通過特征點峰值對病人心率進行計算并采用OLED顯示信息；在采集數據后通過ZigBee無線通信網絡進行數據傳輸，最終上傳至上位機平臺進行圖形化顯示。

圖3 心率檢測終端流程

3.2 算法程序處理

根據前面介紹的心率檢測原理，處理器需要對采集的脈搏波信號進行處理，再進行最終心率的計算。因此，系統采用微分閾值法，將脈搏波信號中具有陡峭下降沿或上升沿形態的特征點提取出來，從而確定峰值坐標，計算出病人心率。

設是經過濾波去噪后的光電容積脈搏波信號，是對的一次微分值，計算公式如下：

式中：為一次閾值處理信號；為經驗值，實驗中經過多次取值，最終確定=2。

其中：為二次閾值處理信號；值為選取一段時間內所有的值并截取的最大值的一半的值。光電容積脈搏信號示意圖如圖4所示。圖5和圖6分別為經過兩次閾值處理的信號圖。

從圖中可以看出，經過一次閾值處理可以取消原信號的下降沿數據，保留部分重搏脈的影響；經過二次閾值處理后波形類似于三角形，只有零與非零取值，根據相鄰峰值點可以計算出當前心率。

圖4 光電容積脈搏圖

圖5 一次閾值處理示意圖

圖6 二次閾值處理示意圖

3.3 信號顯示界面設計

心率監測終端不斷采集病人的心率數據并通過無線通信網絡上傳至PC電腦端。本文在Visual Studio平臺上進行上位機管理界面的設計，上位機主要用于對實時監測的數據進行接收和保存。數據庫中有心率記錄表用于保存相應的數據，用戶可以通過上位機心率查詢界面對保存的記錄進行查詢，并以波形信息顯示，可以為醫生對病人進行后續的診療提供數據保證。本系統的信號顯示界面如圖7所示。

圖7 心率記錄顯示界面

4 結 語

本文采用Arduino UNO處理器、XBee S2C無線模塊、MAX30102心率傳感器等進行硬件搭建，結合上位機軟件開發了一套基于ZigBee的遠程心率監測系統。該系統能夠有效地對病人心率數據進行采集并具備報警功能，還提供了上位機平臺可以對數據進行接收、顯示和存儲，減少了醫護人員的工作量，提高了監測效率。