基于ZigBee技術(shù)的便攜式心率計(jì)的設(shè)計(jì)

武漢輕工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 李戰(zhàn)勝 萬葉麗

基于ZigBee技術(shù)的便攜式心率計(jì)的設(shè)計(jì)

武漢輕工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院 李戰(zhàn)勝 萬葉麗

針對(duì)目前我國(guó)的醫(yī)療狀況，本文介紹了一種利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備，該儀器主要采用的控制器是TI公司研究的無線射頻芯片CC2430，采用光電傳感器作心率傳感器使用，將人的心率即脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。該系統(tǒng)整體由五個(gè)部分組成：分別是心率信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換部分、處理、顯示、報(bào)警和無線傳輸部分。再利用ZigBee無線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳送出去，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量，為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供有利的條件。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)不但可以準(zhǔn)確地測(cè)量不同人群的心率，而且便于攜帶，體積小，成本低。

ZigBee技術(shù)；CC2430；便攜式心率計(jì)

1 引言

目前,我國(guó)的人口眾多,其中老年人更多,老齡化現(xiàn)象比較嚴(yán)重,而老年人的身體狀況也為我們提出了比較嚴(yán)峻的課題,采用什么措施對(duì)于老年人身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢查也是迫在眉睫,這個(gè)檢查可以有效地發(fā)現(xiàn)一些突發(fā)性疾病,對(duì)于老年人健康有很大的幫助,并且我國(guó)的衛(wèi)生資源分配不太均勻,城市和沿海比較密集,但是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)看病就比較困難,為了解決這些問題,很多措施被運(yùn)用起來,其中遠(yuǎn)程醫(yī)療被提了出來,通過無線技術(shù)的運(yùn)用,就可以使得不同地區(qū)的人享用我國(guó)的醫(yī)療條件,而且可以提醒個(gè)人時(shí)刻注意自己的身體問題。針對(duì)這一情況,本文提出了一個(gè)采用ZigBee無線技術(shù)的便攜式心率測(cè)試設(shè)備,該儀器不但能夠運(yùn)用到普通家庭中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人們的心率狀況,而且還采用了無線傳輸?shù)募夹g(shù),從而能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量心率,為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了一個(gè)比較新的思路。

2 整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示:

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)共分為三個(gè)部分。

(1)信號(hào)轉(zhuǎn)換部分:在這部分里,采用光電傳感器作心率傳感器使用,將人的心率即脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),為信號(hào)的采集做好準(zhǔn)備;

(2)信號(hào)處理部分:由于光電傳感器輸出的電壓信號(hào)較弱,因此要進(jìn)行相應(yīng)的放大處理和濾波,包括前置放大和后級(jí)放大器部分,濾波采用低通和高通濾波電路;

(3)信號(hào)采集及無線發(fā)送部分:采用芯片CC2430作為控制器,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,門限比較報(bào)警。也可以在LCD上顯示,并通過ZigBee技術(shù)利用無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

3 控制器部分設(shè)計(jì)

本心率計(jì)側(cè)重于便攜式即方便攜帶,并且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量,所以經(jīng)過分析,選用美國(guó)的TI公司研發(fā)的芯片CC2430作為控制器部分,在CC2430芯片上集成了CPU、存儲(chǔ)器、常用外設(shè)和RF射頻部分。該芯片有1個(gè)8位CPU, 32MHz的主頻,可編程FLASH有128KB以及容量為8KB的SRAM,另外芯片資源也非常豐富。

4 ZigBee無線傳輸方式的確定

目前,在短距離的無線傳輸方面,主要有藍(lán)牙技術(shù),紅外技術(shù),WiFi和ZigBee技術(shù),其中現(xiàn)在常用的藍(lán)牙技術(shù)采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸,穿透性較強(qiáng),而且還支持多種設(shè)備;而利用紅外線傳輸?shù)膽?yīng)用也比較多,在一般的打印機(jī)中均有其蹤跡; WiFi在家庭的無線網(wǎng)絡(luò)用運(yùn)用較廣,但是成本較高。而 ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線傳輸與其他三種技術(shù)相比,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,并且功耗低,成本也不高,在一些智能儀器方面運(yùn)用較廣。因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要采用ZigBee無線通信技術(shù)。

5 ZigBee介紹

Zigbee是以IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的。但I(xiàn)EEE標(biāo)準(zhǔn)僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議,所以Zigbee聯(lián)盟將IEEE協(xié)議進(jìn)行一定的擴(kuò)展,并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee可以在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,就可以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,所以它們的通信效率非常高。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米,到擴(kuò)展后的幾百米,甚至幾千米;另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。從而更能提高其應(yīng)用性。

圖2 協(xié)議器工作流程

6 無線傳輸部分工作流程

協(xié)議器是無線傳輸?shù)暮诵?在本系統(tǒng)中,協(xié)議器主要負(fù)責(zé)采集整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的傳感器數(shù)據(jù),并通過無線電波將數(shù)據(jù)傳輸給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)議器工作流程如圖2所示,首先新建一個(gè)新的無線網(wǎng)絡(luò),然后進(jìn)行監(jiān)聽和等待,確定是否有入網(wǎng)的請(qǐng)求,如果有請(qǐng)求,就為子節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的地址,沒有請(qǐng)求繼續(xù)等待,分配好地址后,通過眾多傳感器接收監(jiān)測(cè)到的心率信號(hào),并將其發(fā)送給當(dāng)前的PC機(jī)進(jìn)行處理。

7 結(jié)束語

本文介紹了一種利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的心率監(jiān)測(cè)設(shè)備,不但能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人的心率情況,為疾病的診斷提供了有力的證據(jù),而且能夠運(yùn)用Zigbee技術(shù)將心率數(shù)據(jù)傳送出去,為遠(yuǎn)程醫(yī)療貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量,經(jīng)過實(shí)際測(cè)試,該設(shè)備不但能在不同情況下對(duì)測(cè)試人群進(jìn)行實(shí)時(shí)心率的監(jiān)測(cè),還能進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程傳輸。

［1］程詠梅,夏雅琴,尚嵐.人體脈搏波信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.北京生物醫(yī)學(xué)工程,2006,9(5):120-123.

［2］張桀,孫建軍.基于單片機(jī)的便攜式心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù),2012,6(26):17-19.

［3］劉瑩,李娜,馮暖.基于單片機(jī)的脈搏測(cè)試儀的設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)實(shí)踐,2011,12(1):272-273.

［4］廉小親,金亮.基于脈搏傳感器的家用只能心率監(jiān)控系統(tǒng)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào),2005,9(30):34-36.

［5］高澤利.快速心率測(cè)試儀的設(shè)計(jì)及制作［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2007,3(18):157-160.

李戰(zhàn)勝（1978—），男，武漢輕工大學(xué)教師，碩士，副教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。