基于無線傳感網絡技術在人體健康監測中的應用

李根

摘 要：多樣奢華的生活方式和特色的飲食結構，使人們的健康狀況不容樂觀，高血壓、冠心病等疾病演變成為當今常見病與多發病。而脈搏信息一直都是反映人們日常活動中最靈敏和最可靠的重要信息來源，是作為健康監測的重要窗口，通過脈搏信號快速發現病因也是一個有效的方法。該課題提出了以無線傳感網絡為基礎，結合智能終端設備，對人體脈搏信號進行實時監測的方式，使人們進一步了解自身健康狀況。

關鍵詞：健康監測 無線傳感網絡 實時監測

中圖分類號：TP29；TN87 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（b）-0012-02

在現代醫學領域中，生物醫學健康評估成為了醫學界和信息工程技術界重點關注的新興學科。隨著近現代傳感網絡技術的突飛猛進，利用傳感器對脈搏信息進行定量分析，逐漸成為了解決臨床醫學和實驗研究的重要手段和重要依據，更是在人類健康領域中普遍關注的課題之一。

脈搏作為心血管健康系統的重要組成部分，是人體健康狀態的重要體現，作為人體日常生活中輸送營養成分和表達各種生理病理特征的重要傳播途徑[1]。現代智能計算機技術的高速發展為醫學研究領域打下了良好基礎，也成為脈搏信息研究和發展的必然。而單片微型計算機集靈敏的反映、快速的計算和復雜的數據處理能力于一體等優勢，使其對脈搏的處理更加準確和有效。

該文采用單片嵌入式系統和現代無線通訊技術，并結合PC及移動智能終端設備，提出了處理脈搏信號的新方案。監測方案主要由嵌入式傳感系統與無線通訊模塊組成，具有傳遞速度快、系統結構簡單等優點。傳感器對有效數據實時采集，并通過無線技術及時地將數據傳送給上位機和智能手持設備，實時動態地反映被監測點的情況。

1 系統方案及技術論證

1.1 硬件系統結構

硬件系統的設計方案如圖1所示，其主控制器采用TI公司生產的MSP430F149單片機，它是一款采用16位精簡指令系統，是一款真正具有16位總線帶Flash的單片機，外設和內存進行統一編址，尋址范圍多達64 k，片上外圍模塊及其豐富，片內還集成有精密的硬件乘法器，可以直接在結果寄存器中讀取計算數據，大大節省了CPU的軟件資源；有一個14路的12位模數轉換器，滿足系統中脈搏心率傳感器信號采集的需要；集成兩路UART通信端口，可以同時和上位機模塊與無線通訊模塊之間進行通信。內部有硬件SPI同步串行總線接口，使得和語音模塊之間的通信可以大大降低MCU功耗，可以在14 mA左右電流下正常工作，因此它是一款具有超低功耗的單片機，作為可穿戴設備的首選，更適合用電池長時間供電的工作場所。

因脈搏信號具有信號強度弱、易于受干擾、信號頻率低、且具有一定的系統變異性。因此脈搏傳感器的選擇在整個系統中變得尤為重要，也成為系統穩定性能的重要指標。PulseSensor是一款用于脈搏心率測量的光電模擬傳感器。較之傳統的脈搏心率測量傳感器，有著體積小、便于隨身攜帶和可靠性高等優點，可將其佩戴在耳垂或指尖等地方，這樣既易于實時監測又不影響日常生活，其原理是根據血管搏動時所反映出的不同透光率來達到脈搏測量。傳感器的敏感元件主要由光電變換器組成，光電變換器可透過人體周圍毛細血管，當毛細血管相對充血容積隨著心臟的搏動而周期性變化時，傳感器的透光率也隨之發生變化，再將微弱的光信號轉化為電信號進行放大和輸出，將最終的模擬電壓信號傳輸給單片機進行后續分析及處理。

語音模塊的選擇上遵循簡單易于控制的原則，SYN6658語音芯片同時支持UART和SPI兩種通訊方式，可通過UART接口或SPI接口接收單片機發送的命令和數據，允許發送數據的最大長度為4 k字節。因系統所選用的單片機只有兩個UART接口，分別作為上位機監測和無線通訊模塊使用，因此最終選用SPI同步串行通訊方式，單片機作為通訊中的主機身份對SYN6658芯片進行訪問，通訊中所需的同步時鐘信號由單片機來提供。SYN6658同時支持多種內碼格式的文本，有著自然、清晰、準確的中文語音合成效果和智能的文本分析處理算法，還具備很強的多音字識別處理能力，支持多種文本控制標記，芯片還具有休眠功能，支持三種通訊波特率、16級音量調整、還有多種方式可以查詢芯片的工作狀態，可通過發送控制標記調節詞語語速，占用體積小，可滿足室外不同環境下使用[2]。

為了便于信號的實時傳輸和即時通訊，無線模塊選擇基于UART的藍牙串口通訊模塊，該模塊可以與各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機、平板等智能終端配對，支持從4 800 bps～1 382 400 bps間的標準波特率，通訊接口兼容5 V或3.3 V單片機系統，在空曠地有效距離可達10 m，具有命令實時響應，可與設備實現自動連接，模塊進行自動連接時，可根據事先設定的方式具備主機、從機和回環三種工作角色。握手成功后可當全雙工的異步串口使用，通信格式支持數據位8位、停止位1位、還可根據用戶需要設置奇偶校驗位。用戶還可以將模塊設置為響應工作模式，并對模塊進行各種AT指令的設置，通過設定相關控制參數和控制命令進行具體設定。通過有效控制模塊外部引腳的輸入電平，完成模塊工作狀態的動態轉換。

系統中上位機的監測通過VB界面來得以實現，并作為后臺管理及顯示部分，它也是整個系統在調試過程中不可缺少的一部分。在VB界面中添加了一些必要的通訊控件，可以方便的對串行通訊中事件及狀態參數進行設置。

如圖2所示的監測界面中主要增加了電話模樣的MSComm通訊控件和鐘表摸樣的定時設置控件，MSComm通訊控件可以方便的對串行通訊必要的參數進行設置，包括其當前通信狀態，通信格式和具體的通信協議等。當遇到數據有效通信時就會觸發OnComm事件，通過程序設置CommEvent的具體屬性，可有效地了解通信事件的類型，從而及時做出處理。定時設置控件則可實現對監測狀態進行準確時間量的分析[3]。

1.2 軟件系統結構

軟件系統結構如圖3所示，系統開機時自檢，預先完成單片機內部定時器、ADC、串口通信的初始化工作，當單片機檢測到脈搏心率傳感器的模擬電壓信號后，經由內部進行多次AD抽樣校準計算，再將計算的結果與當前脈搏值進行比較，通過UART與上位機通信，在上位機上對脈搏信號進行實時監測，若發現異常，及時進行在線調試，修正單片機代碼，減少不必要的誤差，為了降低整個系統的功耗，系統的語音模塊及藍牙模塊默認保持休眠狀態，人們可以自主的選擇是否進行語音播報和進行藍牙通訊服務，當語音播報功能打開時，可將當前脈搏參數通過語音播報的形式及時告知使用者，也可以按照需要設置藍牙握手通訊習慣，將使用者的脈搏情況傳送給智能終端或具有藍牙功能的其他設備，使被監護人能夠及時準確的了解自身的健康狀態，達到及時預防的目的。

2 系統抗干擾措施及分析

在整個無線傳感網絡通信中，外界對系統的干擾具有很大的隨機性和不可預見性，給系統調試方面帶來很多困擾，因此，必要的抗干擾措施直接反應系統的實用性能。為了使得系統的干擾降到最低，在設計中分別從硬件和軟件兩方面展開研究。

來自硬件方面的干擾主要由空間電磁干擾、過程通道干擾和供電系統干擾3部分組成，空間電磁干擾可以通過PCB正確接地并進行良好地屏蔽以及合理布局布線進行有效解決；過程通道干擾則采用光電耦合隔離技術將模擬地和數字地分開，減少了公共信號對系統產生的耦合作用，有效解決了系統主要存在的阻抗匹配問題；供電系統干擾主要通過穩壓、隔離、濾波等措施加以解決，通過比較論證，最終使得硬件電路的穩定性得到大大提高。

隨著科技的不斷進步及軟件算法的不斷完善，來自軟件的抗干擾措施已愈來愈引起社會的重視，該系統中主要通過數字濾波、設置自檢程序、設置軟件陷阱、利用復位指令等方法減少外界環境對系統的干擾，它與傳統抗干擾措施相比可以在不增加任何硬件設備的基礎上，有效降低系統運行成本和提高系統的穩定性。同時，由于軟件抗干擾措施可以隨時改變系統算法或改變參數，使系統的維護變得更加靈活方便。但是軟件抗干擾措施不能使所有干擾得以控制，不可能完全取代硬件抗干擾措施，因此在設計方面根據實際情況權衡利弊，選擇使用最恰當的軟、硬件抗干擾措施。

3 結語

隨著我國社會實體經濟的高速發展和人們生活質量的不斷提高，健康問題已經成為當今社會倍受關注的熱點話題之一。該設計通過前期大量的市場調查和理論分析，最終完成了基于TI公司的MSP430F149為核心的脈搏檢測系統的研究及設計。結合相關的傳感器，利用智能終端進行實時監測，使系統的操作更人性化，加上便于隨身攜帶的優點，滿足了人們對日常生活的需要，在人與疾病斗爭的戰場上備受關注。

參考文獻

[1] 郭垚垚，陳兆學.一種脈搏波和心電信號時域基線漂移消除方法[J].中國醫學物理學雜志，2016，33（2）：167-172.

[2] 張紅英.SYN6658中文語音合成芯片在充電樁的應用[J].家電科技，2016（1）：22.

[3] 蔣萍花，張楠.數據采集系統串口通信的設計與實現[J].電子測量技術，2015（6）：139-142.