超低功耗無線傳感心電信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

呂海洋, 張鵬輝, 鄧建國, 王中方

(西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著醫(yī)療水平與信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及人口的老齡化，傳統(tǒng)以治療為主的醫(yī)療模式逐漸轉(zhuǎn)向以預(yù)防為主的新型模式。建立起以醫(yī)院為中心，社區(qū)家庭、個人為節(jié)點的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及以及成熟的嵌入式微電子技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。

目前已有的面向個人的系統(tǒng)大部分只是簡單的檢測用戶心電特征，不能有效地利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，并不能做到有效地防護(hù)；而有部分遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)利用ZigBee、藍(lán)牙等無線協(xié)議網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)護(hù)，但是由于協(xié)議過于復(fù)雜，而且功耗高，因此在成本功耗方面實現(xiàn)開發(fā)并不如人意。另外目前在已有的系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)的采集處理電路采用超低功耗處理器以及在數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)面采用功耗和成本遠(yuǎn)低于低功耗ZigBee協(xié)議的ANT協(xié)議，使整個系統(tǒng)功耗和成本大大地降低，增加該便攜式系統(tǒng)的使用時間。而且隨著目前家用PC和移動Android藍(lán)牙終端的不斷普及，開發(fā)了界面直觀操作簡單的應(yīng)用軟件端，使該系統(tǒng)更容易被各類用戶接受和方便使用。使用戶在平時準(zhǔn)確直觀地掌握自己的健康狀況，并且在發(fā)生危險和異常的時候發(fā)出報警及時通知醫(yī)療中心進(jìn)行救護(hù)和治療。本系統(tǒng)還能夠即時記錄異常數(shù)據(jù)信息，提供醫(yī)院在平時所不能獲取的信息協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷和救治。患者也能使用個人PC和手機應(yīng)用隨時隨地方便地記錄、查詢自己的健康情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括前端信號調(diào)理處理和ANT無線發(fā)送電路、搭載有ANT_USB接收模塊的個人PC終端上位機應(yīng)用、ANT到藍(lán)牙協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以及移動Android終端應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)首先通過調(diào)理電路將連接在肢體或胸部的導(dǎo)聯(lián)電極采集的心電信號進(jìn)行濾波放大，主控微處理器的AD轉(zhuǎn)換器采集調(diào)理后的生命信息信號并進(jìn)行初步分析處理和危急特征提取。微處理器根據(jù)初步分析處理的結(jié)果，按照不同模式通過以SPI同步串行接口連接的ANT無線發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)藍(lán)牙模塊來接收生命信息數(shù)據(jù)。當(dāng)PC上位機或Android監(jiān)控終端接收到數(shù)據(jù)之后，數(shù)據(jù)管理與診斷分析程序顯示出實時心電圖和心率信息并進(jìn)行疾病的診斷，顯示診斷結(jié)果。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時，發(fā)出警報并可將結(jié)果通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)或移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

由于前端信號調(diào)理電路不是本文對系統(tǒng)設(shè)計所要重點闡述的部分，所以本文主要對數(shù)據(jù)的處理、無線收發(fā)軟硬件設(shè)計和終端應(yīng)用程序設(shè)計做介紹。

2 無線ANT協(xié)議及前端軟件設(shè)計

2.1 無線ANT協(xié)議介紹及模式選擇

本系統(tǒng)無線傳輸采用挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建無線ANT網(wǎng)絡(luò)模塊。目前無線傳輸技術(shù)有ZigBee、WIFI、Bluetooth等，但通過對比這些比較成熟的協(xié)議中ANT和ZigBee協(xié)議在功耗和開發(fā)成本方面更有優(yōu)勢，而ANT協(xié)議芯片的功耗更是比ZigBee協(xié)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(fā)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(jìn)一步的降低成本和功耗，本系統(tǒng)采用ANT協(xié)議作為無線收發(fā)協(xié)議。挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片已經(jīng)集成了ANT協(xié)議棧。ANT與ZigBee協(xié)議的參數(shù)對比如表1所示。從表中可以看出ANT在開發(fā)成本和功耗性能等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ZigBee[1]。

表1 ANT與ZigBee協(xié)議參數(shù)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(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

ANT協(xié)議有三種數(shù)據(jù)發(fā)送模式，分別為廣播模式、應(yīng)答模式、突發(fā)模式。本發(fā)明中為了將經(jīng)過分析處理的數(shù)據(jù)既能正確，又能節(jié)約能耗地發(fā)送給接收端，采用不同模式發(fā)送不同數(shù)據(jù)。采用應(yīng)答數(shù)據(jù)模式發(fā)送采集到的原始數(shù)據(jù)，供上位機畫出心電圖以及數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析使用；采用突發(fā)模式發(fā)送經(jīng)過微處理器計算處理后的結(jié)果，如心率值、RR間期以及本系統(tǒng)為其他生命特征參數(shù)(體溫、血氧飽和度等)預(yù)留數(shù)據(jù)位；由于本模塊采用同步模式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此在有效數(shù)據(jù)發(fā)送的間期采用廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)維持通道的同步。

2.2 MCU處理控制與無線ANT發(fā)送軟件設(shè)計

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

圖2所示為前端節(jié)點各模塊連接圖，圖3所示為前端節(jié)點控制軟件流程圖。主要過程為在信號調(diào)理電路預(yù)處理心電模擬信號之后，超低功耗微處理器MSP430通過內(nèi)置的10位AD轉(zhuǎn)換模塊(采樣精度為3 mV)對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，采樣周期為5 ms，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)取高8位后放入接收無線發(fā)送緩存和特征診斷緩存。其中為了讓采集到的數(shù)據(jù)能夠及時通過ANT無線通信協(xié)議發(fā)出去，設(shè)置ANT通道速率為50 Hz即以400 Byte/s的速率(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率為200

圖2 前端節(jié)點模塊連接圖

圖3 前端節(jié)點控制軟件流程圖

Byte/s)將數(shù)據(jù)送入無線通道進(jìn)行傳輸。而且無線發(fā)送緩存采用雙8 Byte緩存，當(dāng)前一個緩存滿時就將標(biāo)志位置1，并將緩存數(shù)據(jù)通過ANT協(xié)議應(yīng)答模式發(fā)出標(biāo)志位置0，當(dāng)后一個緩存滿時標(biāo)志位置2并將緩存數(shù)據(jù)通過應(yīng)答發(fā)出標(biāo)志位置0。

如圖4所示為適應(yīng)MSP430G2553微處理器的內(nèi)部資源節(jié)約成本而設(shè)計的心電特征診斷軟件程序流程圖。主要思想是當(dāng)特征診斷200 Byte緩存滿時，對所存儲數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，若大于閾值然后將計數(shù)標(biāo)志置0，等到后續(xù)檢測到連續(xù)100個左右數(shù)據(jù)小于閾值則表明剛才檢測到的是一個R峰，將心跳計數(shù)beat+1，當(dāng)beat等于3時，用三次心跳采樣的數(shù)據(jù)數(shù)計算出平均心跳率heartrate=36 000/pulseperiod和RR間期并進(jìn)一步進(jìn)行診斷，并將計算得到的心率值heartrate和RR間期通過ANT協(xié)議突發(fā)模式發(fā)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(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，因此在分別采用應(yīng)答和突發(fā)模式發(fā)送原始心電數(shù)據(jù)和計算的診斷數(shù)據(jù)的空閑間隙采用廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)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(xié)議通信軟件的設(shè)計如下：

應(yīng)用層：實現(xiàn)狀態(tài)機設(shè)置和維持ANT 通道，數(shù)據(jù)收發(fā)以及控制。

接口層：解釋應(yīng)用層到ANT消息的函數(shù)調(diào)用，使用串行端口驅(qū)動程序來與ANT交換消息。

串行端口驅(qū)動：實現(xiàn)ANT字節(jié)同步，直接在硬件上對接口進(jìn)行操作；其過程如圖5所示。

整個ANT協(xié)議通信的主要功能如圖6所示[8]。

3 ANT轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊的軟硬件設(shè)計

3.1 ANT轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

由于手機等移動終端一般配置有藍(lán)牙裝置，而藍(lán)牙設(shè)備成本和功耗都遠(yuǎn)大于ANT，因此為了節(jié)約前端節(jié)點的成本和功耗，同時為了在手機等移動終端使用該系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)發(fā)送至手機之前采用ANT到藍(lán)牙的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，利用該數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)換模塊既可以和搭載有藍(lán)牙的移動設(shè)備很好的配對又可以極大的降低前端設(shè)備的成本和功耗，進(jìn)而降低整個系統(tǒng)的成本和功耗。而且藍(lán)牙硬件設(shè)計和軟件協(xié)議都相當(dāng)成熟，傳輸效果穩(wěn)定，開發(fā)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(lán)牙協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊連接圖，其中ANT無線發(fā)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(lán)牙模塊HC-05通過異步串行接口UART連接。數(shù)據(jù)通過MSP430處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖7 協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊連接圖

經(jīng)過設(shè)計加工制作，本系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)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(zhuǎn)藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計

圖8所示為協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊軟件流程圖。

該系統(tǒng)中終端Android移動設(shè)備，通過應(yīng)用程序配置打開藍(lán)牙并接受數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步分析處理之后進(jìn)行顯示和診斷，在發(fā)現(xiàn)異常時發(fā)出報警信號將數(shù)據(jù)在應(yīng)用端通過移動互聯(lián)網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

圖8 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件流程圖

4 PC端上位機應(yīng)用程序軟件設(shè)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(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，通過用戶的簡單操作將用戶的個人信息存入Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)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(jié)果并將結(jié)果和有問題的數(shù)據(jù)自動的保存到數(shù)據(jù)庫中以供用戶查詢；在檢測到異常情況時，能發(fā)生報警提醒用戶，用戶在軟件端可以通過簡單的操作和遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控中心進(jìn)行通信，讓醫(yī)生進(jìn)行診斷[10-13]。

應(yīng)用軟件的工作過程為：啟動應(yīng)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(shù)據(jù)提供程序Connection對象連接Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)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(tǒng)后接收模塊開啟通道進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，在收到數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)存入接收緩存，并在接收緩存收滿數(shù)據(jù)之后調(diào)用庫中畫圖函數(shù)畫出實時心電圖，之后每次收到新數(shù)據(jù)都依次放入接收緩存，并從存放位置開始循環(huán)到最后存放位置前畫出心電圖，這樣就可畫出實時動態(tài)的心電圖；同時將心電分析結(jié)果顯示在軟件中和通過連接數(shù)據(jù)庫記入數(shù)據(jù)庫。用戶可以隨時查詢記錄的信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)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(shù)據(jù)庫，通過DataSet(數(shù)據(jù)集)對象在內(nèi)存中創(chuàng)建臨時數(shù)據(jù)庫并通過DataAdapter對象將數(shù)據(jù)存放數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容復(fù)制一份進(jìn)入臨時數(shù)據(jù)庫dataset中，在用戶選擇主要查詢條件如時間、姓名、心律狀態(tài)等關(guān)鍵信息之后，系統(tǒng)自動將與查詢條件相匹配的數(shù)據(jù)顯示在綁定的控件上。

5 Android移動終端軟件設(shè)計

Android手機終端軟件的設(shè)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(nèi)置藍(lán)牙模塊與數(shù)據(jù)發(fā)送端藍(lán)牙進(jìn)行設(shè)備的配對，在配對成功之后可以接收到數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過基于Android平臺設(shè)計應(yīng)用軟件，顯示心電信息。

基于Eclipse 集成開發(fā)編譯環(huán)境和SDK(Android軟件開發(fā)工具包) ADT( Android開發(fā)工具)JDK(JAVA編譯軟件)開發(fā)應(yīng)用軟件[14-15]。打開應(yīng)用軟件之后通過提示打開終端硬件配置的藍(lán)牙，并搜尋周圍藍(lán)牙設(shè)備，搜到目標(biāo)設(shè)備并進(jìn)行配對之后，可以接收數(shù)據(jù)發(fā)送端藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)存入接收緩存，進(jìn)行處理和解碼轉(zhuǎn)換之后將數(shù)據(jù)通過描點畫圖畫出實時心電圖，并預(yù)留接口為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用做準(zhǔn)備。

6 結(jié) 語

本文介紹了超低功耗無線傳感心電信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)過程，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計以及各個模塊的軟硬件設(shè)計過程和主要實現(xiàn)方法。

本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將生命信息調(diào)理電路、低功耗數(shù)據(jù)處理模塊、ANT無線傳輸模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、PC上位機、Android終端應(yīng)用和遠(yuǎn)程醫(yī)療中心聯(lián)系起來，形成一個新的個人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且功耗小成本低而且整套系統(tǒng)操作方便簡單。

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