認知無線電網絡遠程醫療監護系統

周明月， 徐東力, 柏 楊， 朱 孟

(長春工業大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

認知無線電網絡遠程醫療監護系統

周明月， 徐東力*, 柏 楊， 朱 孟

(長春工業大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

系統由傳感器模塊、信號采集處理模塊、認知無線傳輸模塊以及報警模塊等組成，實現了人體醫學信號的采集、處理、傳輸等遠程監護的功能。

認知無線電; 遠程監護; 無線傳感網絡; 信號采集

0 引 言

近年來，隨著無線通信技術的飛速發展，各類新業務以及技術層出不窮。日益增長的頻譜需求與有限的頻譜資源之間的矛盾與日俱增。公共頻譜資源的分配一直采用靜態頻帶的傳統分配策略。盡管這種管理模式簡單而有效地避免了不同無線通信系統之間的互相干擾，然而靜態頻譜管理方式存在3個突出的矛盾：頻譜使用是動態的，而頻譜分配是靜態的；頻譜是稀缺資源，而已分配頻譜的利用率很低；可分配的頻譜較少，而頻譜需求量卻很大，這也使得公共頻譜資源變得愈發緊缺[1-2]。

無線頻譜感知、自適應傳輸、智能資源管理和跨層設計等技術是認知無線電的重要技術[3]。認知無線電網絡通過對周圍無線頻譜的實時檢測，在不影響授權用戶的正常使用下，利用空閑頻段進行通信需要。這種方法有效地緩解頻譜資源緊張的情況，提高了無線頻譜資源的利用效率[4-5]。

當今社會生活節奏的加快以及人口老齡化的加速，各種老年病、慢性病逐年增多，同時由于環境因素導致下一代的健康問題逐年加重，使得對于慢性病人群、老人兒童的實時健康監護日益受到關注。遠程醫療系統成為應用醫療領域的研究重點[6]。由于公共頻譜資源愈發緊缺的原因，傳統的無線通信技術諸如無線傳感網絡很可能已經無法滿足下一代遠程醫療的需求，而認知無線傳感網絡的研究很有可能為這一狀況帶來轉機。

文中提出一種基于認知無線傳感網絡的遠程醫療監護系統，該系統由基于FPGA的信號采集處理模塊和CC2530的認知無線傳輸模塊兩個模塊組成，并且信號采集處理單元具有最高150 MHz、12位的信號采集能力和強大的實時信號處理能力，可以滿足多數常見醫學信號的采集處理，可實現遠程醫療監護的目的。

1 總體方案設計

本系統以FPGA芯片為核心，由各種醫學傳感器組成的傳感器模塊、信號采集處理模塊、認知無線傳輸模塊、鍵盤顯示模塊以及報警模塊等組合而成。

系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

前端的傳感器模塊負責采集醫學信號，并將其輸入信號采集處理模塊，經過信號調理和AD轉換后變為數字信號輸入FPGA進行數字信號處理，處理后的信號傳輸到認知無線傳輸模塊，通過模塊上的認知無線協議棧接入認知無線傳感網絡，實現醫學信號的采集、處理和無線認知傳輸的過程。

終端監控設備能接收由前端采集處理后的醫學信號，并將其與預設數值進行比較，如果超出預設數值，則由報警模塊進行報警。

2 信號采集處理模塊

信號采集處理模塊完成的是信號輸入、調理、放大濾波、數字處理等過程。醫學信號通過接收前端接口進入信號采集處理模塊，經過低噪信號放大器放大并轉換為差分信號，再通過三階巴特沃茲濾波器進行抗混疊濾波，然后進入高速AD轉換器芯片進行采樣。采樣取得的信號傳入到FPGA中進行數字信號處理，再傳輸至認知無線傳輸模塊，完成原始醫學信號的采集處理過程[7-8]。

信號采集處理模塊由信號調理、高速AD轉換、FPGA信號處理以及電源組成，如圖2所示。

2.1信號調理

信號在接入前端電路后需要經過信號放大調理、濾波后才能輸入到AD芯片進行采樣。

人體的體征信號微弱，并且噪聲大，所以需要引進低噪聲放大器對原始信號進行調理。醫學信號多種多樣，需要設計一個通用性強，能夠適配各種各樣模擬信號的前端采集模塊，可以選用高精度、高速的AD。既能提高前端適配信號的頻率范圍，又便于后續通過采樣等方法靈活地提高采樣精度。

放大電路采用兼容單端和差分輸入的低噪聲信號放大器ADA4960作為輸入信號的前級放大，并將輸入信號轉換為差分信號。ADA4960的增益由增益電阻的大小控制，同時受到負載影響。設增益電阻為RG，負載為RL，則增益的計算公式為

單端輸入、差分輸出配置如圖3所示。

圖2 信號采集處理模塊框圖

圖3 單端輸入、差分輸出配置

VOCM為差分輸出信號的共模電平，AD芯片采樣需要共模電平為1.2 V。因沒有相對應的模擬供電電壓，所以采用電阻分壓的方式獲得。

抗混疊濾波電路選用三階巴特沃茲低通濾波器作為抗混疊濾波器,并且采樣頻率為150 MHz。抗混疊濾波器的源阻抗為70 Ω，負載阻抗為38 Ω，由AD芯片輸入阻抗以及放大器輸出阻抗確定，同時設定阻帶為75 MHz。抗混疊濾波器設計電路如圖4所示。

圖4 抗混疊濾波器設計電路

2.2高速AD轉換

高速AD轉換的實現是對經過調理和濾波信號的采樣處理，采用的是AD9230芯片。AD9230是12位的高精度低能耗芯片，其采樣信噪比達到65 dB,最高采樣率可達到250 MSPS，并通過LVDS高速總線接入FPGA，最大功耗僅為434 mV，適用于高速微弱信號的采樣。同時，可以接受較寬范圍的時鐘輸入，支持通過接口的線上編程，方便靈活控制其采樣行為。

AD2930的電路連接如圖5所示。

圖5 AD9230的電路連接

2.3FPGA數字系統設計

生物醫學的原始信號引入的干擾較大，需要經過一系列的算法處理才能被還原，這要求處理模塊具備較高的運算效率，可以實時處理一定復雜度的算法；另外，由于前端采集的信號類型各異，其處理單元也要具備較強的重配置和可編程的能力。因此,采用現場可編程門陣列(FPGA)作為信號處理單元的方案。

FPGA數字系統采用Xilinx公司的Spartan-6系列的芯片，兼具相對低能耗的同時也有一定的運算能力。FPGA芯片還為外圍應用提供了豐富的接口，該系統采用的外圍模塊主要有作為鍵盤接口的GPIO接口、RS232接口及控制芯片、Flash儲存芯片等。

FPGA數字系統的框架如圖6所示。

圖6 FPGA數字系統的框架

FPGA和認知無線傳輸模塊間的通信采用RS232接口，RS232接口進一步減小前端模塊和認知無線傳感網絡的耦合，增強系統的適應性，同時也減小系統在開發調試階段的復雜度。

為實現FPGA和認知無線傳輸模塊間的RS232串口通信，在外圍設計了RS232接口以及相應的收發芯片。串口收發芯片采用MAX3232，其具有二路驅動器和二路接收器，正常工作下的數據傳輸速率不低于250 kbps,并且最差工作條件下也能保證120 kbps的數據傳輸速率。同時MAX3232適用于各種便攜式電子產品。RS232串口電路連接如圖7所示。

圖7 RS232串口電路

3 認知無線傳輸模塊

系統用CC2530集成了一個優化的低能耗的8051微控制器內核和一個高性能的RF收發器，擁有8 K的RAM，提供了101 dB的鏈路質量，具備強健的抗干擾性和優良的靈敏度。同時，CC2530擁有的2.4 GHz高性能RF收發器，所以簡化了無線模塊設計[9]。

射頻天線的選擇和匹配采用相應的典型應用，這樣才能保證信號在收發的過程中所受的干擾和輻射最小[10]。SimpliciTI協議工作在ISM頻段，所以選擇PCB天線。PCB天線的通信距離可以滿足一般的通信要求。為降低開發難度，我們參考了TI公司推薦的倒F天線方案進行設計。倒F天線設計方案如圖8所示。

圖8 倒F天線設計方案

天線又可以分為平衡天線和非平衡天線，也叫做單端天線和差分天線。對于非平衡天線，一般需要地作為信號的參考平面，而CC2530的輸出為差分的RF口，因此，如果使用單端天線，需要一個轉換電路，這個電路就是平衡/非平衡變壓器，通常稱為巴倫電路，其電路如圖9所示。

圖9 巴倫電路

系統設置了拓展模塊，由鍵盤和顯示屏組成。模塊共有3個用戶按鍵和一個復位按鍵，并采用Nokia5110液晶顯示屏，其擁有84*48的點陣LCD，擁有顯示4行漢字的功能，并且與主處理器進行通信，采用了串行接口，支持多種串行通信協議。體積小、點陣密、控制簡單[11]。

4 結 語

基于認知無線電網絡的遠程醫療監護系統是慢性病病人、老人和孩子實時健康監護的重要依托。系統使用多種醫療監測傳感器實現了對人體各項機能指標的實時監測，同時使用認知無線網絡進行數據傳輸，使得被監護人可以在更多的空間內自由活動。該系統不僅實現了頻譜的高效利用，還有效地緩解了頻譜資源緊張的問題。在不遠的未來，基于認知無線電的遠程監護系統會得到普遍運用。

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Remotemedicalmonitoringplatformbasedoncognitiveradionetwork

ZHOU Mingyue, XU Dongli*, BAI Yang, ZHU Meng

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, China)

The platform consists of sensor module, signal collection and processing module, cognitive wireless transmission module and alarm module. Remote monitoring functions such as human medical signal acquisition, processing and transmission are realized.

cognitive radio; remote monitoring; wireless sensor network; signal acquisition.

TN 929.5

A

1674-1374(2017)04-0328-07

2017-03-21

吉林省教育廳基金資助項目(2016343)； 吉林省大學生創新創業訓練計劃項目(201610190S014)

周明月(1980-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業大學講師，博士，主要從事認知無線電系統中資源分配問題研究,E-mail:zmyjlu@ccut.edu.cn. *通訊作者：徐東力(1995-)，男，漢族，吉林長春人，主要從事認知無線電系統方向研究,E-mail:1357801154@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.4.03