基于ZigBee的可穿戴心電監護系統設計

蔣躍文，黃恒發，何文康，陳業生（嘉應學院，廣東　梅州　514015）

基于ZigBee的可穿戴心電監護系統設計

蔣躍文，黃恒發，何文康，陳業生
（嘉應學院，廣東梅州514015）

提出了一種可穿戴式心電醫療監護系統設計方案，該方案利用ZigBee技術將若干可穿戴心電檢測終端根據需求構建相應結構的無線傳感器網絡，由服務主機完成數據匯總、存儲、顯示等一系列信息化管理功能。無線傳感器網絡節點主要由心電監測芯片BMD101、STC微處理器和CC2530無線收發模塊等構成。設計作品結果表明，該方案可行，并獲得第十四屆廣東省電子設計大賽三等獎。

可穿戴；心電監測；ZigBee；無線傳感器網絡；BMD101

0　引言

心電圖檢測監護儀是臨床診斷、監測心血管疾病的動態心電圖分析系統的重要組成設備［1］，在有效地預防、監護心臟疾病中發揮著越來越重要的作用。但常規心電監護儀需要病患靜臥測量，受時間、醫療場所等限制，不能適應病患發病的突發性、間歇性、短暫性等特點。同時常規監護儀存在價格昂貴、體型笨重、不易移動的不足，無法滿足患者長期實時監控、記錄并分析的需要。為此，很多新型的便攜式技術方案［2-3］與無線通信技術方案被提出［4-9］，但普遍不能滿足可穿戴的要求。相關信息顯示，到2017年，世界上將會出現6.4億個可穿戴設備，它們主要用來監測人的身心健康。從可穿戴的健康追蹤設備、放松冥想監測設備、睡眠監測設備、心臟狀況監測設備到智能手表和眼鏡，可穿戴產品具有廣闊的發展空間。

本文提出一種基于專用心電芯片BMD101的可穿戴心電圖監測系統的設計方案，以滿足實時監護和數據的存儲、處理與報警等數據管理信息化新形勢下醫療護理的需求。

1　心電芯片BMD101

BMD101是美國NeuroSky推出的第三代生物信號檢測和處理的SoC芯片，圖1（a）所示為8腳封裝。1腳為片選控制端，2腳為ECG模擬輸入端正極，3腳為ECG模擬輸入端負極，4、5腳為UART收發端，6腳為系統復位端，7、8腳為電源端。該芯片體積小，功耗低且采用干電極傳感器。其與微處理器的接口電路通過圖1（b）所示的UART實現，因此可以很便利地應用于可穿戴設備及便攜式設備中。

BMD101模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數轉換器以及一個檢測感應器脫落的檢測電路組成，具有極佳的消噪功能。可采集從μV到mV的生物信號，采樣頻率為512Hz，模擬數字轉換器采用16位精度。結果經過截止頻率為100Hz的低頻濾波器濾波后，通過UART輸出。

圖1　BMD101芯片管腳分布及與微處理器的接口連接

BMD101數據包輸出格式則采用ThinkGear Packets類型，如圖2（a）所示［10］：數據包的報頭由兩個同步幀和一個告知有效數據長度的字節構成；緊接著發送實際數據代碼；最后發送有效數據的校驗和。其中有效數據內部也按照一定的格式定義來確定所發送的數據性質及其具體表征內容及含義，如圖2（b）和表1所示。有效數據以0或者多個用以指示擴展碼等級的擴展碼（EXCODE）開始，擴展碼等級則用以說明后續的代碼所屬的數據類型。緊接著是數據的代碼和數據的長度信息，最后發送代碼對應的數據值。

圖2　BMD101數據包輸出格式與定義

表1　有效數據定義

對心電信號的解釋流程偽代碼如下：

（1）讀取等待同步幀字節（0xAA）；

（2）讀取下一個字節并判斷是否為同步幀字節（0xAA），如果不是回到步驟（1）；

（3）讀取數據長度字節［PLENGTH］；

（4）讀取有效數據并進行校驗和運算；

（5）將校驗和累加器低位字節取反；

（6）對比數據的校驗和［CRC］，判定是否一致，不一致則返回步驟（1）；

（7）進入數據解釋循環，直至解釋完成：

①解釋并統計擴展代碼［EXCODE］（0x55）的個數；

②解釋當前數據流代碼［CODE］；

③如果可能，解釋當前數據的長度；

④基于前面的擴展碼及長度等信息，解釋和處理數據流的數據信息；

⑤如果數據流沒有解釋完畢，回到步驟①繼續。

簡言之，BMD101的核心是一個功能強大的系統管理單元。它負責整個系統的配置、運行管理、內外通信、專有算法計算和電源管理，為可穿戴設備的應用提供了保障。

2　系統硬件設計

2.1系統頂層設計

頂層設計如圖3所示。利用ZigBee組網技術將協調器與可穿戴心電檢測節點構建成無線傳感器網絡，協調器經COM串口或UART與由服務器主機連接，借助軟件平臺實現數據的采集、存儲、顯示、回調與報警等一系列信息化管理功能。

圖3　可穿戴心電圖監測系統頂層架構圖

2.2心電監測節點設計

節點電路方案如圖4所示。心電監測模塊選用神念公司的BMD101專用心電芯片，STC微處理器模塊負責數據收集，經由ZigBee CC2530無線模塊完成組網和數據通信；節點采用鋰電池供電，經LM1117電源模塊為微處理器和CC2530提供穩定的電源輸出。監控平臺由ZigBee CC2530無線模塊、計算機及監控軟件組成。

圖4　心電圖無線傳感監測節點結構框圖

可穿戴節點原理圖及實物如圖5所示。

3　系統軟件設計

系統軟件設計包括STC微處理器系統、CC2530節點系統、CC2530協調器系統和計算機上位機軟件平臺。整個系統上電啟動就緒后，按照以下流程進行：STC微處理器負責接收心電芯片BMD101的心電數據并由SPI傳輸至CC2530；CC2530在接收到數據后，周期性地向協調器發送數據；協調器接收到數據后立即上傳至計算機；計算機接管數據并保存以及按照用戶指令執行相應操作。各子系統的流程圖如圖6、圖7所示。

圖5　可穿戴心電監測節點原理圖及實物

圖6　STC微處理器模塊與可穿戴設備CC2530模塊程序流程

圖7　監控平臺CC2530模塊與計算機監控平臺程序流程

4　實驗結果

圖8為本系統采集的一組心電圖數據。通過比較分析可以得知，所測數據可以完整地顯示心電圖波形，基本功能已經實現。與正常心電圖比較，各個波形的時間和幅度基本在典型值范圍內。誤差主要來自電極導線與皮膚之間的接觸干擾。所測數據與醫用動態心電儀測得數據比較，差別在于波形的平滑度，還需后期的濾波算法等技術處理。

圖8　實測心電圖數據

5　結論

本系統方案能很好地實現可穿戴心電圖監控功能。由于其充分利用了ZigBee無線通信技術，系統具有以下創新點：（1）可穿戴：延伸了監測對象的活動范圍；（2）可實現身份識別：由于每個終端都具有唯一的ID，可與病患身份捆綁；（3）信息管理智能化：該系統可以更加方便有效地將信息的獲取、處理、存儲和交流于一體，實現管理信息化，利用監控平臺可以提高應急響應的速度和效率；（4）網絡化：通過ZigBee無線傳感器網絡技術可將所有的心電傳感節點根據需要構建相應結構的網絡；（5）相對與現有的心電圖測試監控儀器設備，該系統成本低。

此外，由于個人的生理體征都不一樣，其相應心電圖信息也不相同，需要一個數據采集、訓練以及優化的過程，以確保數據分析與診斷的可靠性和可信度。這是投入應用前需要深入進行的工作。

［1］丁慎平，王應海，吳衛榮，等.便攜式心電監護儀設計進展［J］.生物醫學工程學雜志，2014，31（3）：708-713.

［2］陳浩，周連雙，余結全.一種便攜式心臟遠程監護終端的設計開發及應用［J］.生物醫學工程學雜志，2010，27（3）：666-670.

［3］韋海旋，楊雪梅.基于ARM的動態心電圖采集系統［J］.微計算機信息，2008，24（5）：131-132，229.

［4］呂海洋，張鵬輝，鄧建國，等.超低功耗無線傳感心電信息監控系統設計［J］.實驗室研究與探索，2014，33（1）：110-114.

［5］賈延江，李振波，張大偉，等.低功耗無線心電圖檢測系統與QRS復波檢測算法研究［J］.傳感器與微系統，2013，32（7）：32-34，38.

［6］方勇軍，趙紅旗，駱星九，等.基于Android平臺的心電數據采集與傳輸系統設計［J］.儀表技術，2014（4）：36-37，42.

［7］張濤.基于ZigBee與Android平臺的無線心電采集系統的研究與實現［D］.保定：河北大學，2014.

［8］徐勇.基于Android智能手機的動態心電監測系統設計［D］.南京：南京郵電大學，2013.

［9］張大偉，王海科，張斌.新型三導聯無線ECG設計與其處理算法研究［J］.傳感器與微系統，2013，32（5）：35-37.

［10］Neurosky.BMD101 Product Brief［EB/OL］.［2012-7-31］（2015-02-25）.http://www.neurosky.com.cn/products-markets/ecg-biosensors/hardware/？utm_source=％E7％99％BE％E5％BA％A6CPC＆utm_medium=％E7％99％BE％E5％BA％A6CPC＆utm_term=BMD101＆utm_content=％E5％BF％83％E7％94％B5％E5％93％81％E7％89％8C＆.

MagnaChip將在中國上海首度舉辦晶圓代工技術研討會

總部位于韓國的類比與混合信號半導體產品設計及制造商美格納半導體公司（MagnaChip）（NYSE:MX）近日宣布，將于2015年9月22日在中國上海金茂君悅大酒店初次舉行晶圓代工技術研討會。此次是首度在中國上海舉辦研討會，也是MagnaChip的全球晶圓代工策略之一，藉以提升MagnaChip在中國市場的晶圓代工品牌知名度。

MagnaChip將在研討會上深入探討其現行及未來的晶圓代工業務藍圖、特殊制程、目標產品應用及其終端市場。研討會之主要目的是針對該公司在中國無晶圓廠（Fabless）的客戶，滿足其對于高階類比與混合信號特殊晶圓代工技術日益增加的需求。

在上海研討會期間，韓國最大類比與混合信號晶圓代工服務供應商MagnaChip將強調其技術組合，并著重討論混合信號、物聯網方面的低功率技術、高性能類比與電源管理應用之Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）制程、超高電壓（UHV）及非揮發性記憶體（NVM）。此外，MagnaChip將展示其技術之相關應用，包括智慧型手機、平板電腦、汽車、LED照明、消費者穿戴式裝置、物聯網等等。MagnaChip亦將展現其便利友善的設計環境及線上客服工具“iFoundry”。

MagnaChip首席執行官YJ Kim表示：“我們很高興在上海舉辦首次的晶圓代工技術研討會，希望所有與會者都能藉此獲益或觸發新的想法。除了臺灣與美國外，現在更加入了上海的技術研討會，我們期盼能通過這些活動，以及長久以來在晶圓代工產業成功的服務與專業技術，滿足全球客戶的需求。”

屆時預計會有眾多無晶圓廠公司、整合元件制造商（IDM）以及其他半導體公司參與MagnaChip的上海技術研討會。如欲報名參加或取得詳細資訊，請至網站：http://www.magnachip.com/或ifoundry.magnachip.com

（MagnaChipSemiconductor供稿）

A design of wearable ECG monitor based on ZigBee

Jiang Yuewen，Huang Hengfa，He Wenkang，Chen Yesheng
（Jiaying University，Meizhou 514015，China）

A design of a wearable ECG medical monitoring system based on ZigBee was presented.With the design，a wireless sensor networks can be built to meet the needs of healthy care application，such as data collection，storage，display and a series management functions.The sensor nodes were mainly made up of a ECG chip BMD101，STC microchip and CC2530.The results show that the scheme was feasible，and the works succeeded in attending the 14th Guangdong Province Electronics Design Competition and won the third prize.

wearable computing；ECG monitoring；ZigBee；wireless sensor network；BMD101

TP274

A

1674-7720（2015）16-0083-04

蔣躍文，黃恒發，何文康，等．基于ZigBee的可穿戴心電監護系統設計［J］.微型機與應用，2015，34（16）：83-86.

2015-03-17）

蔣躍文（1974-），通信作者，男，講師，主要研究方向：測量與控制技術，無線傳感器網絡，智能算法研究。E-mail：dreamflying09@126.com。

2014年度廣東省大學生創新創業訓練項目（414B0305）