心電監護系統中WIFI傳輸的設計與實現

黃建凡，朱 為，堵國樑

(東南大學電子科學與工程學院，南京210096)

心電圖誕生于20世紀初，荷蘭大學生理學威廉·愛因托芬教授于1903年記錄了世界上第一份人體心臟完整的心電圖［1］。近年來，隨著人們生活節奏的加快，以及工作壓力的不斷增大，心血管疾病的發病率呈現逐年增高的趨勢，已成為危害人類健康的頭號殺手［2-4］。并具有“發病率高、死亡率高、復發率高、并發癥多”等特點。20世紀60年代，各醫院開始建立心電監護室，明顯降低了心機梗死發病的概率［5-7］。隨著心電監護室的產生以及移動通訊網絡的迅速發展，遠程監護也逐漸被世人所接受。遠程監護中一個重要的環節是數據的傳輸，在數據傳輸過程中如何實現數據不丟幀的實時傳輸是心電監護系統中的一個關鍵技術［8］。

1 通信方式的選擇

1.1 3種無線通信方式的比較

近幾年來，無線通信成為通訊行業的主流，無線通信減少了通信之間復雜的連線布局，不過無線通信也增加了設計的復雜性。在無線通信中，除了最近比較熱門的3 G、4 G網絡，近距離的無線通訊也得到了很大的發展，如 Zigbee、藍牙、WIFI［5］。

(1)Zigbee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協定，是IEEE 802.15.4協議的代名詞。Zigbee的傳輸距離短;數據傳輸速率低，在2.4 GHz的頻段只有250 kb/s;時延不易確定，由于Zigbee不支持時分復用的信道接入方式，因此不能提供高質量的實時數據的傳輸。

(2)藍牙是一種支持設備短距離通信(一般10m內)的無線電技術，使用IEEE802.15協議。與其他工作在相同頻段的系統相比，藍牙高速跳頻使藍牙比其他系統更穩定，但帶來的代價是傳輸的數據包比較短，數據傳輸遇到瓶頸問題。

(3)WIFI(Wireless Fidelity，意思是“無線保真度”)是使用802.11標準協議的局域網，定義了介質訪問接入控制層(MAC層)和物理層?，F有的通信標準有 802.11a，802.11b，802.11g，802.11n 等等［9-10］。WIFI是一種短程無線傳輸技術，能夠在數百米范圍內(室內100 m，室外300 m)支持互聯網接入的無線電信號。

1.2 WIFI技術的優勢

1.2.1 無線覆蓋范圍廣

藍牙的覆蓋范圍非常小，半徑大約只有15 m，而Wi-Fi的半徑則可達100 m左右，在整棟大樓中都可以使用。

1.2.2 傳輸速度高

傳輸速度非常快，可以達到54 Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。

1.2.3 健康安全

IEEE802.11規定的發射功率不可超過100 mW，實際發射功率約60 mW～70 mW，而手機的發射功率約200 mW～1 W，手持式對講機高達5 W。從對比可以看出，WIFI產品對人體的輻射很小［11］。

由于WIFI高速的傳輸速率，WIFI成為與互聯網的無線高速“接口”，在遠程監護系統中，以無線AP作為接入點，患者的心電數據能快速上傳至監護中心，并且依靠互聯網的優勢，實現資源的共享，彌補了傳統遠程監護的點對點的模式，數據可以傳至各大醫院網站或監護中心，接受多方面的醫療指導。結合上述遠程監護的實現方法選擇WIFI的監護系統可以形成高速、實用、經濟的監護系統。

2 WIFI模塊的實現

2.1 WIFI在整個心電監護系統中的作用

整個心電監護系統包括前端的心電采集模塊、微處理器的處理模塊、WIFI數據傳輸模塊以及服務器端的數據接收與分析模塊。

心電采集模塊把采集到的數據傳給微處理器，微處理器處理后再把數據寫到WIFI模塊的緩沖區中，WIFI模塊再通過TCP協議把緩沖區中的數據發送到服務器終端。服務器端軟件實時地接收受監護者的心電數據，并解析為心電波形。實現實時的數據采集傳輸與顯示。若受監護人的心電數據成功上傳至服務器，便可以通過以太網傳至醫生電腦，可以進行遠程分析診斷。

2.2 WIFI模塊的選擇

對WIFI模塊的選取特別重要，首先要考慮到能否與單片機之間進行高速的數據傳輸。由于此監護系統為便攜式設備，再者要考慮WIFI模塊的體積、重量、功耗(電池供電)等問題。而且在實現數據傳輸過程中應減少數據的差錯率。本方案結合以上特點，選用的是 REDPINE SIGNALS公司的RS9110-N-11-22模塊。

RS9110-N-11-22模塊的體積很小，只有23 mm×29 mm;模塊工作在2.4 GHz頻段;無線速率支持802.11b/g/n，最高速率可以達到54 Mbit/s;在功耗方面:模塊在功耗模式0下不進行節約功耗，工作電流為128 mA;在功耗模式2下模塊關閉基帶和RF模塊，內核控制模塊常開，模塊可以正常接收數據命令，實際執行發送數據要等模塊醒來時執行，執行完自動睡眠，在睡眠狀態下的工作電流為17.2 mA。

RS9110-N-11-22模塊支持UART和SPI數據接口，市面上的微處理器都能很好地開發此WIFI模塊。RS9110-N-11-22模塊的系統框圖如圖1所示，WIFI模塊可以通過UART或者SPI接口與MCU相連，實現兩者之間的通訊，而且模塊內置了TCP、UDP協議，能很好地與服務器進行通訊。

圖1 RS9110-N-11-22模塊的系統框圖［12］

2.3 WIFI模塊接口的選擇

(1)UART接口:模塊啟動時能夠進行模塊波特率自適應，支持的波特率有9.6 kbit/s/19.2 kbit/s/38.4 kbit/s/57.6 kbit/s/115.2 kbit/s/200 kbit/s/230.4 kbit/s/460.8 kbit/s/921.6 kbit/s/1.8432Mbit/s/3.6864 Mbit/s。由于傳輸的過程中需要加上幀頭，實測使用3.6864 Mbit/s的波特率傳輸TCP包時的速度為346.7 kbyte/s。一般的MCU都是單線程運行，所以要求實際數據傳輸速率要低于346.7 kbyte/s，才能預留一部分時間給MCU其他的程序塊，在這種情況下3.6864 Mbit/s的波特率是能滿足要求的。但使用UART接口有時會有丟幀的現象，實驗指定發送一個字節長度1 208 byte的數據包，連續發送10 000次，總數據長度1 208×10 000=12.08 Mbyte，實際接收12.006 312 Mbyte，可以看出丟幀率為1-0.9939=0.61%。

(2)SPI接口:與UART接口相比較，對應的操作比較復雜，但SPI接口的通訊速率可達25 MHz，可以大大提高傳輸的數據量，在數據量比較大的情況下可以選擇SPI接口。WIFI模塊和服務器之間通過TCP/UDP協議進行傳輸。TCP(Transmission Control Protocol)協議是是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的運輸層(Transport layer)通信協議，由于TCP傳輸的可靠性，在傳輸過程不會發生丟幀的現象。

由于UART接口的WIFI模塊受到串行接口速度的影響，而且要實現高速傳輸必須對串口的波特率進行超頻(正常波特率的最大值為115.2 kbit/s)，波特率提高會引起傳輸的不穩定而導致丟幀現象的發生，所以在設計中選擇SPI接口的RS9110-N-11-22模塊，提高了傳輸的數據量，也保證了系統的穩定性，使系統不發生丟幀。

2.4 SPI接口的WIFI模塊

(1)WIFI模塊和微處理器連接方式如圖2所示。

圖2 WIFI模塊接口圖

(2)WIFI模塊的基本命令

MCU----＞模塊:C1----C2----C3----C4-----數據;

模塊----＞MCU:C1----C2----C3----C4-----數據(MCU主機數據)----等待狀態-----數據(模塊數據)。其中C1～C4的含義如圖3所示。

圖3 模塊基本命令中C1～C4的含義

WIFI模塊在于MCU通訊過程中，模塊會返回數據發送成功、模塊忙、發送數據錯誤、模塊已經準備好的信息。MCU可以通過模塊返回的信息來判斷數據是否發送成功，這種應答方式確保了WIFI模塊與MCU之間數據通訊的正確性。

(3)MCU與服務器之間的通訊

MCU發送數據給WIFI模塊可以通過模塊的返回信息來判斷MCU是否已經把數據成功發送給了WIFI模塊，如果收到WIFI模塊返回的“數據發送成功”說明WIFI模塊已經成功接收到數據;WIFI模塊和服務器之間通過可靠的通訊協議(TCP協議)使這一通信環節不會丟幀。從而MCU與服務器通訊能夠實現不丟幀的傳輸。

圖4 WIFI模塊正常聯網的軟件流程圖

(4)WIFI模塊聯網的過程

RS9110-N-11-22模塊具有正常連接和快速連接。①正常聯網的流程圖如圖4所示。模塊在正常連接時，先從底層引導過程啟動WIFI模塊，而后配置模塊的發射頻段、掃描信道和網絡名、設置共享密匙(PSK)、加入/創建網絡、設置模塊的IP地址，然后就可以連接到服務器進行數據傳輸。②快速連接和正常連接的區別在于:在正常連接的過程中把“掃描信道和網絡名、共享密匙(PSK)設置、加入/創建網絡、設置模塊IP地址”這些參數保存起來，并允許下次啟動時自動連接到已經建立好的連接點AP(Access Point)。這樣在下次連接的過程中就可以快速連接到網絡中，再執行連接到服務器就可以進行數據通訊，這樣就可以大大減小RS9110-N-11-22模塊連接到網絡的時間?？焖龠B接的流程圖如圖5所示。

圖5 WIFI模塊快速聯網的軟件流程圖

3 實驗結果

服務器(可以是手機、平板或者電腦)上的接收軟件能接收通過RS9110-N-11-22模塊傳輸的二進制心電數據，并解析出心電波形，實現心電波形的實時顯示。心電數據傳至服務器后，就能通過以太網在網絡上傳播，醫生和專家也能第一時間獲取受監護人的心電信息，對受監護人的心電數據進行分析診斷。

3.1 數據丟幀率測試

心電采集模塊把心電數據采集后傳給MCU，在MCU內存區開辟一個緩存空間來存儲采集到的心電數據，此緩存空間是為了MCU發送給WIFI模塊出現錯誤能實現出錯重發的功能而設計的。而后再通過一定的數據格式傳給RS9110-N-11-22模塊，WIFI模塊通過TCP協議將數據傳輸到服務器，最終在服務器上解析出心電波形，實現數據的實時傳輸與顯示。

實測在WIFI信號強度為-70 dB～-80 dB(相鄰的實驗室，中間隔一堵墻)的情況下，測量時間為87 220 s(24.23 h)，服務器接收到的數據量為1 214×1 744 400=2 117.7 Mbyte，都沒有發生丟數據的情況。這個結果能夠滿足心電監護系統的要求。

3.2 解析后的心電波形

為了完整記錄心臟的電活動狀況，常用水平和垂直方向的12種不同導聯做記錄，稱為標準十二導聯，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF 導聯(肢體導聯)和V1、V2、V3、V4、V5、V6 導聯(胸導聯)。其中Ⅱ、aVR、V3導聯的波形如圖6所示，其他導聯的波形就不一一列舉了，如圖所示的心電波形中能很好地表示出心電圖上的各種波形(包括P波、QRS波群、T波和U波)。實時不丟幀的傳輸能把最真實的心電波形傳給醫生，幫助醫生進行心電診斷。

圖6 心電波形

4 結論

本文考察了MCU和WIFI組成數據傳輸處理的系統，并在WIFI信號強度為-70 dB～-80 dB(相鄰的實驗室，中間隔一堵墻)的情況下實現心電數據實時不丟幀的傳輸。WIFI網絡數據傳輸由于其覆蓋范圍廣和傳輸速率高，將會是未來遠程監護系統發展的趨勢。心電監護系統中的一個關鍵技術是在數據實時傳輸過程中如何實現不丟幀傳輸。目前兆量級的數據傳輸速率可以滿足現有遠程監護系統的要求。由于未來遠程監護系統需要傳輸更多的人體生理信息，對傳播速率的要求也更高，這也是今后實現實時不丟幀傳輸面臨的一個重大問題。

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