iOS平臺多生理參數健康管理系統的研究

高志新

摘 要：提出了一種基于低功耗藍牙的無線心電和血氧健康監護系統，完成了藍牙模塊硬件設計和手機應用的軟件設計。實現了人體心電和血氧參數的實時監控。

關鍵字：生理參數；健康監護；低功耗藍牙；iOS

1 前言

心電血氧監護對于患有心臟疾病的病人尤為重要，針對病人去醫院監測心電和血氧等生理參數流程復雜和醫院就診壓力大的問題[1]。本文提出了一種基于低功耗藍牙的無線心電和血氧健康監護系統。設計了藍牙通信模塊和手機應用。經過藍牙協議將采集到的數據傳輸到具有iOS系統的手機端顯示，實現生理參數數據的監測和管理。

2 系統硬件設計概述

以實現不間斷的健康監護為目標。生理參數（心電、血氧等）采集裝置將采集到的

數據通過UART串口傳輸到藍牙模塊，通過藍牙低功耗協議發送到手機上。手機將接收到的數據進行處理，并以易讀的圖片方式顯示出來。還可以實現數據存儲等功能。

2.1 藍牙模塊硬件設計與實現

本系統采用TI公司的CC2541低功耗藍牙芯片為主芯片設計藍牙模塊。藍牙模塊電路主要由主芯片CC2541、電源電路、射頻系統電路、時鐘晶振電路和復位電路組成。時鐘晶振電路包括32MHz和32.768KHz兩種頻率的晶振，32MHz的晶振為低功耗藍牙射頻通信提供時鐘，32.768KHz晶振用于喚醒低功耗藍牙的睡眠模式。射頻系統電路主要由芯片的設頻引腳、巴倫匹配電路和PCB天線組成。射頻輸入輸出引腳為高阻差分式，內部具有控制發送和接收的開關。天線采用倒F天線，需要使用巴倫匹配電路作為不平衡轉換器，同時提供50歐姆的匹配阻抗[2]。巴倫匹配電路將天線接收到的信號變為差分信號形式，保證天線的輻射效率。

2.4GHz頻率的天線主要有SMA天線和印制天線兩種。由于SMA天線體積較大，所占空間也大，成本很高，本系統采用印制天線結構。該結構為倒F天線，倒F天線是單極子天線的一種變形結構，具有體積小、結構簡單、易于匹配和制作成本低等特點，被廣泛應用在藍牙通信、WIFI通信和Zigebee通信等短距離無線通信領域。倒F天線有兩種結構，一種是標準的倒F天線，另外一種是S型倒F天線，S型倒F天線是標準倒F天線的改進型。通過高頻有限元仿真軟件HFSS對這兩款天線進行性能仿真與選取。通過比較兩種天線的中心頻率和相對帶寬。標準倒F天線的中心頻率為2.5GHz，S11<-10dB的相對帶寬為480MHz；S型倒F天線的中心頻率為2.36GHz，S11<-10dB的相對帶寬為182MHz。分析結果可以看出S型倒F天線的相對帶寬更窄，中心頻率更接近藍牙的工作頻率2.4GHz。實際應用中S型倒F天線所占印刷電路板的面積更小，這樣就可以節省出更多的空間。在相同元器件封裝規格和相同電路設計PCB時，S型倒F天線可以使模塊更加小型化。所以本系統中的藍牙模塊天線采用S型倒F天線。

3 系統軟件設計概述

系統軟件由藍牙協議棧和手機端軟件組成。監測終端藍牙協議棧初始化，手機選擇連接監測終端藍牙，連接成功后，監測終端通過藍牙向手機發送數據，手機應用開啟后臺線程接收數據，同時手機主進程開始畫圖，開啟另外一個后臺線程計算心率值或者血氧數值，同時記錄用戶的心率和血氧值。

3.1 手機客戶端軟件設計

實現低功耗藍牙通信手機作為主機角色。在連接之前，需要選擇不同的藍牙設備連接，藍牙終端就是監測生理參數的設備，這些設備用唯一的UUID來建立不同的藍牙連接，從而實現傳輸不同的數據和繪圖的功能。由于藍牙通信框架規定了嚴格的通信協議來建立連接。主從設備建立連接的過程為：從節點發出廣播信號（包括設備地址和設備名稱等附加信息）；主節點收到此廣播信號后，向從節點發出掃描請求；當從節點回應掃描時，完成了設備發現過程。主節點向從節點發出連接請求（包括連接時隙、從節點待機次數、連接超時值），從節點回應連接，完成了建立連接。為了安全起見，一些數據的訪問需要認證：一方（可以是主節點，也可以是從節點）向另一方索要6位數字的密碼，輸入正確的密碼后，兩個節點彼此交換安全密鑰用于加密和認證，此過程稱為配對。低功耗藍牙協議支持兩節點保存認證的安全密鑰（一般是保存在非易失性存儲器中），以便于兩節點下次連接后快速認證。

藍牙模塊與iOS設備通信規定傳輸數據的數據格式為十六進制，得到原始數據后，手機軟件通過GCD多線程開發機制初始化兩個線程[3]，一個進程將原始數據存儲到文件中，另外一個進程將數據繪制成圖顯示出來。繪圖功能由iOS的繪圖函數庫Quartz 2D完成[4]。

4 總結

本文設計了基于iOS平臺低功耗藍牙的移動健康管理系統，完成了藍牙通信模塊電路設計和iOS手機端軟件設計。實現了將心電信息和血氧信息在手機上顯示的功能。

本系統可以應用在病人術后康復、居家養老以及心血管疾病日常監測等方面，為減輕醫院的就診壓力和緩解人們看病難的問題上起到了積極地作用。

參考文獻

[1]潘登，陳烈平，陳巧釵，等.新醫改背景下看病難與看病貴問題實證分析[J].中國全科醫學，2014，17（1）：67-70.

[2]曹青春，劉輝.基于CC2540的藍牙射頻模塊設計[J].海南師范大學學報：自然科學版，2013，26（2）：172-176.

[3]葉元林.基于藍牙4.0的個人健康助理關鍵技術研究[D].重慶大學，2014.

[4]黃鎮彩，劉昱，邸文華.基于IOS平臺的便攜心率監測系統設計[J].電子測量技術，2012，35（9）：120-124.