基于無線通訊技術(shù)脈搏檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仝兆景，時(shí)俊嶺，李 月，譚瑞軍

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 河南平原光電有限公司， 河南 焦作 454100；)

基于無線通訊技術(shù)脈搏檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

仝兆景1，2，時(shí)俊嶺1，李 月1，譚瑞軍2

(1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000；2. 河南平原光電有限公司， 河南 焦作 454100；)

脈搏是反映人體生理健康狀況最常見的重要生理現(xiàn)象，臨床上有許多疾病，特別是心臟病都可使脈搏發(fā)生變化，因此脈搏信息檢測(cè)與處理在臨床醫(yī)學(xué)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義；傳統(tǒng)脈搏檢測(cè)儀多以在線直測(cè)的方式檢測(cè)，檢測(cè)裝置使用靈活度較低，不適用于普通家庭檢測(cè)；針對(duì)此問題，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方法加以改進(jìn)優(yōu)化，提出了基于無線通訊技術(shù)的研究方案，方案以單片機(jī)為信號(hào)處理單元，以無線傳輸為控制核心，以ST188光電傳感器為采集單元,同時(shí)結(jié)合nRF24l01無線傳輸模塊，通過硬軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)脈搏數(shù)據(jù)的采集與處理，以及無線發(fā)射、接收和脈搏數(shù)據(jù)的顯示；實(shí)驗(yàn)表明，該脈搏檢測(cè)儀具有檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，脈搏檢測(cè)儀器精巧便于攜帶，而且成本較低，便于普通家庭使用。

脈搏信息；無線通訊；光電傳感器；檢測(cè)

0 引言

在當(dāng)今的醫(yī)療科技領(lǐng)域中，醫(yī)學(xué)專家們對(duì)生物醫(yī)學(xué)參數(shù)的檢測(cè)與研究都投入了巨大的關(guān)注，并且其在醫(yī)學(xué)界和工程技術(shù)界已使用現(xiàn)代化科技的傳感器檢測(cè)技術(shù)，解決臨床診斷及實(shí)驗(yàn)室研究等多種參數(shù)的檢查測(cè)量問題。脈搏是最常見重要的生理現(xiàn)象，是心臟和血管狀態(tài)等重要生理信息的外在反饋依據(jù)。脈搏檢測(cè)無論是對(duì)于臨床診斷與病人的監(jiān)護(hù)還是對(duì)于脈搏醫(yī)學(xué)的研究，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義。用現(xiàn)代化的傳感器測(cè)試技術(shù)來對(duì)脈搏信息進(jìn)行定量研究分析，是目前國內(nèi)外醫(yī)學(xué)專家門普遍關(guān)注的課題之一。人工脈搏測(cè)量具有效率低，易受人主觀判斷影響等缺點(diǎn)。現(xiàn)有電子在線脈搏測(cè)量由于對(duì)身體體位坐姿要求要較高，且處理控制器、電源與光電傳感在一起工作，體積大，測(cè)量靈活度受限。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，同時(shí)加入無線傳輸模塊，研制了無線脈搏檢測(cè)儀，具有成本低、測(cè)量體位靈活、測(cè)量效率和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

無線脈搏檢測(cè)儀分為主從機(jī)，它們由STC89C52主控模塊、nrF24l01無線模塊、按鍵設(shè)置模塊、LCD1602顯示模塊、光電傳感器、報(bào)警模塊等構(gòu)成。主機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)無線接收處理與LCD信息顯示，系統(tǒng)設(shè)有4個(gè)按鍵，可以設(shè)置脈搏數(shù)上下限警報(bào)值，當(dāng)超過限制范圍的時(shí)候單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。從機(jī)主要負(fù)責(zé)脈搏信號(hào)采集與處理以及無線發(fā)射，運(yùn)用ST188光電傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏的檢測(cè)，并且把檢測(cè)數(shù)據(jù)無線傳送給主機(jī)。脈搏檢測(cè)是基于人體脈搏跳動(dòng)的時(shí)，血液的透光性的節(jié)律變化會(huì)導(dǎo)致ST188接收部透光性變化，間接反映了人體脈搏信號(hào)。系統(tǒng)通過二階RC濾波電路濾除干擾信號(hào)，到LM358運(yùn)放放大整形之后輸入到單片機(jī)，單片機(jī)利用外部中斷對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，最終換算成脈搏數(shù)[1-2]。脈搏數(shù)通過無線模塊傳送到主機(jī)，主機(jī)將無線接收到數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上。主機(jī)還把接收到的脈搏值與設(shè)定好的上下限脈搏值作比較，如果超出上下限的值，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 脈搏檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括主控模塊、無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波電路和報(bào)警模塊。

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊為單片機(jī)STC89C52最小系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連接并控制其他模塊如：按鍵模塊、報(bào)警驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示模塊等。

STC89C52是一個(gè)具有低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，其有著8 K字節(jié)的可編輯Flash存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)編程，也可以在常規(guī)的編程器上編程。其CPU和可編程的Flash存儲(chǔ)器，能夠滿足所需的設(shè)計(jì)功能要求。

圖2為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等組成。設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路選用了12 MHz的晶振提供時(shí)鐘，作為單片機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)。通過高電平使單片機(jī)復(fù)位，時(shí)鐘電路開始工作后，當(dāng)高電平的時(shí)間超過大約2 μs時(shí)，復(fù)位就可實(shí)現(xiàn)。使得CPU及系統(tǒng)各部件回初始狀態(tài)后即開始工作。復(fù)位電路具備上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的功能，開機(jī)加電時(shí)上電復(fù)位發(fā)生，由系統(tǒng)自動(dòng)完成；手動(dòng)復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，如遇到死機(jī)、死循環(huán)或程序“跑飛”的情況，運(yùn)用手動(dòng)復(fù)位便可實(shí)現(xiàn)重新啟動(dòng)。圖2中R16電阻為P0口的上拉電阻，由于P0口跟其他IO結(jié)構(gòu)不同， 是漏極開路結(jié)構(gòu)，加上拉電阻才能正常使用[3]。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀運(yùn)用低功耗的nRF24l01無線模塊，該模塊用3.3 V電源供電，電路連接ASM1117串聯(lián)系列穩(wěn)壓器。nRF24l01融合了增強(qiáng)式Shock Burst技術(shù)，其中輸出功率和通信信道可由程序進(jìn)行配置，當(dāng)它以6 dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA，接收時(shí)工作電流只有12.3 mA，可選擇的掉電模式和空閑模式，應(yīng)用設(shè)計(jì)更為方便。

AMS1117在最大輸出電流時(shí)，其壓差保證要小于1.3 V，并且隨著負(fù)載電流的減小而逐漸降低。通過AMS1117片上微調(diào)參考電壓，可調(diào)整其電流限制，并將誤差范圍調(diào)整到1.5%的以內(nèi)，減少了電源電路和穩(wěn)壓器超載引起的壓力[4]。無線模塊電路如圖3所示。

圖3 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將其配置為發(fā)射模式，然后將接收地址TX_ADDR與有效數(shù)據(jù)TX_PCD依照順序?qū)懭霟o線模塊緩存區(qū)， TX_PCD務(wù)必在CSN端口為低電平時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射模式寫入一次即可。CE端口置為高電平保持最少10 s，延遲后發(fā)射數(shù)據(jù)。若開啟自動(dòng)應(yīng)答模式，那么無線模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)后立刻進(jìn)入接收模式。如果接收到應(yīng)答，則認(rèn)為通訊成功。TX_DS置高電位，同時(shí)將TXFIFO中的TX_PLD清除，如果沒有收到應(yīng)答，將自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)。如果重發(fā)的次數(shù)達(dá)到最大次數(shù)，MAX-RT置高電位，保留TXFIFO中數(shù)據(jù)以便再次發(fā)送。發(fā)射成功后，若CE為低電平時(shí)，則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中CE為高電平并且存在數(shù)據(jù)，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中CE為高電平但是沒有數(shù)據(jù)，則進(jìn)入空閑模式2[5]。

無線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)時(shí)，將其配置為接收模式，然后延遲130 μs，進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)。當(dāng)接收端無線模塊檢測(cè)到CRC和有效的地址，就將中斷標(biāo)志位RX_DR置高電平，同時(shí)將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RXFIFO中使IRQ變低電平，產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知MCU去讀取數(shù)據(jù)。若自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收端則立刻進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)迅速回傳應(yīng)答信號(hào)，接收數(shù)據(jù)成功時(shí)，若將CE置低電平則nRF24L01進(jìn)入空閑模式1[5]。其讀和寫操作時(shí)序圖，如圖4所示。

圖4 SPI讀和寫操作時(shí)序圖

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用光電傳感器來提取人體脈搏信號(hào)。由于手指靜脈血的搏動(dòng)相對(duì)動(dòng)脈血是十分微弱并可忽略，因此可以認(rèn)為光透過手指后的變化僅由動(dòng)脈血的充盈而引起。在恒定波長的光源的照射下，人體的脈搏信號(hào)可以通過檢測(cè)透過手指透過光強(qiáng)間接測(cè)量。數(shù)據(jù)采集采用ST188紅外光電傳感器，作用是通過紅外光照射人的手指，隨著脈搏的跳動(dòng)影響透光性來測(cè)量脈搏情況，把脈搏跳動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)[6]。

2.4 濾波電路設(shè)計(jì)

圖5為脈搏檢測(cè)儀的RC濾波電路。由于脈搏信號(hào)輸出的信號(hào)一般在微伏級(jí)，同時(shí)伴隨很多的低頻噪聲干擾。設(shè)計(jì)采用二階RC低通濾波可有效地去除50 Hz的工作頻率干擾及其他高頻噪聲干擾[7]。設(shè)置截止頻率為5 Hz，按人體脈搏在運(yùn)動(dòng)后最高跳動(dòng)次數(shù)達(dá)每分240次來設(shè)計(jì)低通濾波器。低通濾波器是一種用來傳輸?shù)皖l段信號(hào)，抑制高頻段信號(hào)的電路，當(dāng)信號(hào)的頻率高于某一特定的截止頻率時(shí)，通過該電路的信號(hào)就會(huì)被衰減，而頻率低于截止頻率的信號(hào)則能無阻通過該濾波器[8-9]。

圖5 RC濾波電路

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

圖6 報(bào)警模塊電路圖

單片機(jī)IO引腳輸出的電流較小，此時(shí)通過一個(gè)PNP來放大電流，使其電磁線圈來產(chǎn)生磁場驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，這種接法的好處在于上電時(shí)蜂鳴器不工作，控制第26引腳使其為低電平時(shí)，蜂鳴器工作。從而控制系統(tǒng)何時(shí)報(bào)警，何時(shí)取消。報(bào)警電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由于采用無線通訊技術(shù)，所以系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分。軟件流程圖如圖7所示。

開機(jī)后，主機(jī)和從機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化。從機(jī)首先判斷是否接收到脈搏信號(hào)，檢測(cè)到脈搏信號(hào)后，從機(jī)計(jì)算脈搏值，通過無線模塊發(fā)送給主機(jī)；若未接收到脈搏信號(hào)，返回，直到接收到脈搏信號(hào)才繼續(xù)執(zhí)行之后的命令。

主機(jī)初始化后，開始接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，若從機(jī)沒有發(fā)出數(shù)據(jù)信息，則顯示為空。主機(jī)接收到數(shù)據(jù)信息之后，與預(yù)設(shè)值比較，同時(shí)在LCD顯示屏顯示出脈搏值。若接收到的脈搏值超出預(yù)設(shè)值，則驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)果分析

無線脈搏測(cè)量儀設(shè)置主機(jī)的上下限警報(bào)值，最大值125，最小值50。使用ST188光電傳感器對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集與濾波處理，傳送到單片機(jī)進(jìn)行判斷計(jì)數(shù)，然后由從機(jī)的無線模塊nRF24l01傳送到主機(jī)的無線模塊接收端，由LCD1602顯示。LCD1602每0.5 s刷新一次。分別用人工測(cè)量和儀器測(cè)量來檢測(cè)七個(gè)不同人的脈搏，根據(jù)相應(yīng)人工及儀器脈搏數(shù)，最后得出測(cè)量相對(duì)誤差，結(jié)果如表1所示，從對(duì)比結(jié)果可以看出，脈搏監(jiān)測(cè)儀可以準(zhǔn)確的測(cè)量出人體脈搏且相對(duì)誤差不超過2%。

表1 人工測(cè)量與儀器測(cè)量對(duì)比

5 結(jié)論

脈搏檢測(cè)儀雖然能夠較準(zhǔn)確和高效的檢測(cè)出人體脈搏，但是還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

1)無線模塊nRF24l01的傳輸距離不超過10米且傳輸速度有一定的限制，測(cè)量時(shí)需注明。

2)目前的處理系統(tǒng)采用的是STC89C52單片機(jī)，由于處理速度的限制，設(shè)計(jì)目前僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏的采集檢測(cè)及無線傳輸。可考慮運(yùn)用FPGA，ARM等處理器，可提高穩(wěn)定性和運(yùn)算處理速度。增加脈搏的波形變化趨勢(shì)分析，對(duì)醫(yī)療診斷將更有借鑒意義。

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Design and Implementation of Pulse Detector Based on Wireless Communication Technology

Tong Zhaojing1,2,Shi Junling1，Li yue1, Tan ruijun2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000,China; 2.Henan Pingyuan Optics & Electronics.Co.,Ltd., Jiaozuo 454100,China;)

The pulse which can reflect human’s physiological health is the most common and important physiological phenomenon. Many clinical diseases, particularly heart disease, can make the change of the pulse. Therefor, pulse information detection and processing has very important practical value and significance in clinical medicine. Traditional pulse detector almost use the form of online direct detection, so that the flexibility of detection devices is lower and not apply to ordinary families. Aiming at this problem, in order to improve the method of traditional measuring, the paper puts forward the proposals based on the research of wireless communication technology. The single chip microcomputer technology is the kernel of the signal collection, processing, wireless transmission and control. Acquisition unit is ST188 photoelectric sensor. Combining nRF24l01 wireless module, the paper realized the pulse data acquisition and processing, and the wireless transmitting and receiving and pulse data display through designing the hardware and software. Experiments states that the pulse detector has the advantages of accuracy detecting data and high efficiency. At the same time, pulse testing instrument is exquisite, easy to carry, low cost, and convenient to use for the ordinary families.

pulse information; wireless communication;photoelectric sensor;detection

2016-08-06；

2016-08-31。

國家自然科學(xué)基金資助(U1504623)；河南省高等學(xué)校控制工程重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(KG2014-12); 河南省高等學(xué)校礦山信息化重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室開放基金資助(KY2015-07)。

仝兆景(1979-)，男，河南南陽人，博士，碩士研究生導(dǎo)師，副教授，主要從事智能檢測(cè)與信息推理故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)01-0242-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.067

TP29

A