基于藍牙4.0心電監護系統的研究

黃敏+張珣

摘 要：為了滿足人們對實時健康監護的需求，設計一種基于藍牙4.0的心電監護系統。該系統主要由心電信號采集模塊、藍牙無線傳輸模塊和用于心電顯示與處理的手機模塊組成，給出了硬件電路的設計方案及軟件程序流程圖。經測試，整個系統功耗低、攜帶方便、有較好的穩定性和實時性，可以實現對心電信號實時的顯示和存儲，非常適合在普通家庭中使用。

關鍵詞：藍牙4.0;CC2540;心電圖;醫療監護

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-02

0 ?引 ?言

隨著人們生活水平的不斷提高和社會壓力的不斷增大，人們的生活節奏不斷加快，生活方式越加不規律，心臟病、高血壓等慢性疾病正日益嚴重威脅著人們的健康[1]。由于醫院傳統的監護儀體積龐大，價格昂貴，不適合普通家庭在日常監護中使用，因此設計一款體積小、價格低、便攜式的心電監護系統十分重要。

藍牙4.0技術是2010年推出的一種短距離無線電通信技術，與其他短距離無線通信技術相比具有功耗低、體積小、速度快、抗干擾能力強以及輻射范圍更廣等優點[2]。另外，利用藍牙4.0技術還能夠快速有效地與Android智能手機終端設備進行通信。因此，本文給出了一個由便攜式醫療電子設備、移動通信設備構成并通過藍牙4.0進行傳輸的家庭監護系統。以心電信號為例，設計一個以CC2540為核心的人體心電檢測模塊，利用藍牙4.0技術進行數據傳輸并在Android智能手機上完成自動顯示分析與報警等功能。

1 ?系統整體結構設計

如圖1所示，整個系統分為心電信號采集模塊、藍牙4.0無線發送模塊和用于心電顯示與處理的手機模塊組成。心電信號采集模塊由信號采集、濾波放大電路和A/D轉換幾個部分組成。傳感器檢測到生理信號并把生理信號轉換為微弱的電信號，通過對電信號進行放大、濾波、隔離等預處理得到完整的心電信號后，然后再將模擬的心電信號通過A/D轉換傳送到CC2540微控制器。CC2540微控制器的功能是將模擬信號轉換為數字信號，對心電信號進行處理、特征提取等功能，同時將數字信號送入基于藍牙4.0技術的RF發射器，利用藍牙無線通信技術發送到Android手機端顯示。

圖1 ?心電監護系統框圖

2 ?系統硬件設計

2.1 ?心電采集模塊設計

心電信號是一種很微弱的電信號，通常為毫伏級信號，很容易受到外界的干擾，這些干擾包括機電干擾、運動干擾、電極接觸不良和外部電磁干擾等。為了濾除各種干擾需要利用信號調理電路，從干擾中提取出心電信號[3，4]。如圖2所示，為心電信號采集模塊電路的框圖。

圖2 ?心電信采集模塊電路框圖

由于有些干擾的頻率具有不確定性，所以這部分干擾不能通過信號調理電路全部的濾除掉，可以在心電信號采集模塊之后，使用上位機進行軟件再次濾基本上消除干擾。

本設計中前置放大電路選用AD公司生產的儀表放大器AD62芯片。AD620是一個價格低、功耗低、精度高的儀表放大器，設置接入電阻Rg為6.8 kΩ，使前置放大電路的放大倍數約為8倍。右腿驅動電路選用OP07放大器，它的主要功能是抑制50 Hz工頻干擾。高通濾波器電路和低通濾波器電路的功能是濾除基線漂移和高頻噪聲。50 Hz陷波電路進一步濾除50 Hz工頻干擾，這樣就基本上可以完全濾除工頻干擾。經過濾波后的心電信號還需要進行后級放大才能發送到處理器中處理，采用OP07芯片對信號進行后級放大[5，6]。如圖3所示為心電采集模塊實物圖。

圖3 ?心電采集模塊實物圖

2.2 ?信號處理和傳輸模塊

目前，主流的短距離無線通信包括藍牙、WiFi、Wireless USB、ZigBee，不同的協議標準對應不同的應用領域。由于距離、功耗、數據傳輸速率、復雜度、成本等因素的限制，并不是所有的無線通信技術都適用于無線體域網。本文的研究采用藍牙4.0技術作為數據傳輸系統的核心。

藍牙無線技術是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一，藍牙技術聯盟（SIG）于2010年7月發布了藍牙4.0版本核心規范，以低功耗（BLE）作為新版本的主要技術特點，藍牙邁入4.0時代。隨后各大廠商紛紛推出支持藍牙4.0的智能設備。TI公司推出了完全兼容藍牙4.0BLE協議的SoC芯片CC2540，同時也開發出了相應的軟件協議棧。

藍牙4.0規范的核心是低功耗技術（Low Energy），即藍牙4.0 BLE。該技術最大特點是擁有超低超低的運行功耗和待機功耗，藍牙低功耗設備使用一粒紐扣電池甚至可以連續工作數年之久。

信號處理模塊采用TI公司生產的CC2540藍牙芯片， CC2540集成了2.4 GHz射頻收發器，該芯片包含一個工業標準的8051內核的無線射頻單片機，它與藍牙低功耗協議棧共同構成高性價比、低功耗的片上系統解決方案，能完成數據采集、處理、藍牙通信的任務，非常適合藍牙低功耗應用。系統編程閃存記憶，8 KB RAM 和其他功能強大的配套。CC2540適用于低功耗系統、超低的睡眠模式，以及運行模式的超低功耗的轉換，進一步實現了超低功耗。

心電信號通過心電采集模塊采集到以后，將心電信號連接到CC2540自帶的A/D轉換傳到CC2540芯片處理。每個無線傳感網終端的核心是CC2540片上系統， CC2540微控制器主要負責心電數據的轉換、處理、存取、控制藍牙模塊數據的發送。

3 ?軟件設計

3.1 ?BLE協議棧

本設計用到的CC2540芯片使用的是TI公司的藍牙4.0 BLE協議棧。藍牙4.0 BLE規范中定義了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）兩個基本配置文件，協議棧中的GAP層負責設備訪問模式和進程，包括設備發現、建立和終止連接、初始化安全特性和設備配置。GATT層用于已連接的藍牙設備之間的數據通信。BLE協議棧的運行機理為：通過tasksEvents指針不斷的訪問事件表tasksEvents[tasksCnt]來判斷是否有事件發生，如果有事件發生，則在函數表中找到對應的事件處理函數進行處理。處理完后，繼續訪問事件表tasksEvents[tasksCnt]，如此無限循環。

3.2 ?心電數據采集流程圖

將心電采集模塊作為節點設備，手機中的藍牙作為集中器設備。集中器設備掃描發現節點設備并且建立連接的流程如圖4所示。

圖4 ?建立連接的流程

當集中器設備和節點設備建立連接后，集中器設備讀取節點設備提供的應用數據，首先進行GATT數據服務發現。集中器進行GATT數據服務發現時，需要給出想要發現的主服務的UUID，只有主服務UUID匹配，才能獲得GATT數據服務。設備之間的心電數據傳輸的流程如圖5所示。

圖5 ?系統流程圖

4 ?系統測試

心電監護系統的顯示是基于Android手機平臺的，實現了和心電采集模塊的配對、數據的接收、心電的顯示和存儲等功能[7，8]。當程序啟動后監測周圍的藍牙設備，監測到心電采集模塊以后就可以實現配對，然后按下開始按鈕，就可以接受到藍牙發送的心電數據，并實時的顯示。如圖6所示。

5 ?結 ?語

該設計僅僅是監測了心電一個生理參數，今后可以把體溫、脈搏、心率等無創生理參數利用藍牙4.0組成人體傳感網，然后將數據傳輸到智能手機上實時顯示，實現實時監測。另外，接下來還要將采集模塊進一步的優化和集成，使其更加便于攜帶。該設計能廣泛應用于運動健身、移動醫療等領域，具有重要的臨床使用價值。

圖6 ?手機心電監護界面

參考文獻

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