基于有源RFID標簽的體溫、脈搏、血氧傳感系統設計

任洪宇　石光印　宮周宇　林坤

摘 要：文中基于反射式傳感器，對體溫、脈搏、血氧飽和度數據采集方法進行了詳細的理論分析后，在現有數據采集算法的基礎上進行改進。通過硬件與軟件設計，提高反射式傳感器的測量精度。采用258TCP型2.4G全向有源RFID讀寫器與改進的反射式脈搏、血氧、體溫傳感器及有源RFID標簽搭建硬件平臺。設計上位機程序和基于258TCP型閱讀器底層程序的數據傳輸算法，實現人機交互功能。最終實現低功耗、小型化的人體生命體征檢測設備。

關鍵詞：有源RFID；反射式傳感器；醫療監護；硬件平臺

中圖分類號：TP39；TN402 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-05

0 引 言

目前，物聯網技術、微電子技術、現代傳感技術、射頻與無線通信技術和微處理器技術發展迅速，很多技術被廣泛應用。因此醫學監護設備也正向著集成化、無線化、微型化和智能化方向發展，逐漸擁有隨時隨地為個人提供健康服務的能力。因此，便于患者穿戴的醫療檢測設備應運而生，國內外的專家和學者雖然設計了各種醫療檢測系統，但這些系統均存在功耗高，可穿戴性差，成本高等問題。目前國外生產的便攜式生理信息檢測設備主要包括Analog Devices公司基于AduC7024芯片開發的脈搏血氧監測儀以及TI公司研發的脈搏血氧監測芯片MSP430等。此外，北京中衛萊康公司開發的“心博士”系列產品是基于手機的遠程心電監視儀，更多地體現了手機特性，其性能和監測時間都受到一定限制。華南醫電科技公司開發的遙測監護儀可實現對心電、呼吸、血壓、血氧、脈搏的同時監測，但其設備體積和顯示設備較大，便攜性較差，主要應用在醫院手術室，ICU，病房等，并不適用于家庭和個人。

1 研究內容

我們針對日常動態下人體體溫、脈搏、血氧飽和度實時監測技術存在的理論問題和技術難題，集中研究了體溫、脈搏、血氧等人體生命體征監測數據的數據融合算法和無線傳輸算法。通過將體溫、脈搏、血氧飽和度監測方法與RFID 技術結合，采用反射式血氧傳感器，利用有源RFID標簽搭建體溫、脈搏、血氧無線傳感標簽。最終實現采用便攜式人體生命體征監測設備對養老院老人或獨居老人、醫院病人等活動范圍較小的活動群體的生命體征進行實時監測的目的。主要研究內容可細分如下：

（1）采用反射式血氧傳感器和有源RFID芯片搭建人體生命體征實時監測系統。

（2）進行體溫脈搏血氧飽和度數據采集算法的研究及其軟件開發，并研究適合于無線傳感網絡的數據融合算法。

（3）通過電路設計和數據采集算法降低系統功耗，采用待機/喚醒方式延長使用時間。

（4）基于有源RFID電子標簽無線傳輸協議，開發適合于無線傳感網絡的數據傳輸算法，實現對體溫脈搏血氧飽和度等數據的無線傳輸。

創新部分包括以下幾點：

（1）采用反射式血氧傳感器，通過有源RFID芯片搭建體溫脈搏血氧飽和度實時監測系統，能夠實現無創監測體溫、脈搏、血氧飽和度等人體生命體征。采用反射式血氧傳感器可以解決穿戴不便的問題，同時相對于透射式血氧傳感器穿戴部位的局限性，反射式血氧傳感器不受探頭安放位置的制約，大大增加了其靈活性。

（2）研究人體生命體征監測數據的實時采集算法和無線傳感網絡的數據融合算法。由于反射式血氧傳感器的探頭在人體皮膚的同一側，容易受運動或外部光源的影響。因此本文通過改進數據的采集算法及無線傳感網絡的數據傳輸算法以減少外界干擾，使監測數據更加準確。

（3）基于有源 RFID電子標簽無線傳輸協議，改進無線傳感網絡的數據傳輸算法。本設計基于258TCP型2.4G全向有源RFID讀寫器和2.4 GHz有源RFID標簽進行改進。有源 RFID電子標簽相對于無源 RFID電子標簽而言，具有數據傳輸率高、通信距離遠和可靠性高等優勢。本文選用的有源標簽傳輸距離可控（0～100 m）可調，在通信范圍內防碰撞能力強。全向閱讀器可以全方位讀取標簽信息。

2 硬件設計

2.1 系統結構設計

本項目自行設計了手腕反射式血氧數據采集模塊，選擇STM32F103VCT6作為數據處理模塊，將有源RFID作為無線通信模塊及上位機。系統結構如圖1所示。

2.2 反射式血氧采集模塊

本項目自行設計了反射式血氧采集模塊，包括光發射管、信號處理模塊、光接收管、LED驅動模塊四個部分。

發射管：根據血氧采集對光源的要求，發射管采用可發射660/940雙波長的型號為MQ-LAU-003的發光二極管。該二極管發光峰值波長為660/905，采用透明樹脂封裝，側發光，外觀尺寸為4 mm×3 mm×1.5 mm。可廣泛應用于監護儀血氧探頭、美容設備等。發射管參數見表1。

2.3 信號處理模塊

正常人的脈搏數一般為60～80次/min，老人為100～150次/min，最高跳動次數為240次/min。設計低通放大器時，5 Hz以上是病人與正常人脈搏波體現差異的地方，應注意保留。在測量過程中，需要考慮并消除的干擾如下：

（1）環境光對接收管接收到有用光信號的干擾；

（2）環境中的電磁波對電路中放大器及其電路的影響；

（3）測量時由于傳感器在皮膚上的微小位移造成的噪聲干擾和50 Hz工頻干擾。

由于光強很小，輸出短路電流約為27 ?A，所以應放大106倍以便于觀察。

傳感器得到的脈搏信號十分微弱，很容易淹沒在噪聲及干擾信號中，所以對取得的信號先濾波后放大。

因為三級放大個別電路板的零點漂移足以達到滿幅，致使測量不準確，因此設計兩級放大。并且為了防止產生自激振蕩，每個單級放大器的放大倍數不大于30倍。所選的電阻參數要精確，IC應選用偏置電流小、輸入失調電壓小的運算放大器，同時還需考慮性價比，因此選用TLC2252。

光電信號轉換電路如圖2所示。由于換能元件為感光二極管，脈搏信號的拾取實際上是光發射到皮膚后折射到二極管時發生相應的強度變化，從而在二極管中產生電流的微弱變化，再經過放大后得到的電壓信號。

電路的輸出為：

Vi=-ig×R1

R4過大會導致穩定性差，容易產生漂移誤差，影響增益精度。此外，考慮到靈敏度、線性度的協調性，令R4=200kΩ，使輸出達到mV級。為了抑制高頻干擾并消除運放輸入偏置電流的影響，接入電容C2，電阻R3。電容基于脈搏信號的頻率取值。

濾波及一級放大電路如圖3所示，其為低通放大電路。人體脈搏最高跳動次數為240 次/min ，按最高次數計算，并根據歸一化法設計低通放大器。轉折頻率由R5，C4，R7和C5 決定，放大倍數由R7和R5的比值決定，R8用來減小輸入阻抗不平衡的影響。

二級放大電路如圖4所示。放大倍數由R16和R9的比值決定。為了消除50 Hz工頻干擾，制作了基于雙T網絡的50 Hz陷波電路，如圖5所示。

信號處理模塊最終的輸出為模擬信號，可通過示波器直接觀察，如圖6所示。或接入數據處理模塊進行下一步處理。

2.4 LED驅動模塊

檢測光源分別來源于紅光和紅外光，且不能同時發射，因此設計了一種H橋電路對其進行控制，通過控制發射管兩端的電壓變化實現交替發射。讓二者反向對接，由于二極管的單向導電性，在兩端電壓發生變化時能保證只有一個二極管導通，電路如圖7所示。

VC1，VC2設計為開關三極管，因基極電流較大使三極管工作在飽和區，分別處于導通和截止兩種狀態。VC3，VC4基極通過合適的電壓控制集電極電流工作在放大區，使LED所在支路工作在適合的電流狀態下。LED的工作電流可以通過調整VCC，R10，R12，R13，R14的值得到。JC1CON2連接發光管，out1，out2，out3，out4連接MCU，MCU在程序控制下產生驅動控制信號，通過H橋驅動電路驅動發射管MQ-LAU-003的紅光和紅外光交替發射。

2.5 數據處理模塊

數據模塊即為單片機最小系統，如圖8所示。單片機采用STM32F103VCT6，主要實現如下三個功能：

（1）控制H橋產生交替的電壓變化，控制發射管交替發光；

（2）接收信號處理電路的模擬輸出信號，經模數轉化做進一步處理，計算脈搏和血氧飽和度；

（3）與RFID標簽通信，實現數據的無線傳輸。

2.6 無線通信模塊

本系統采用RFID無線數傳模塊進行無線通信，RFID主要包括一個具有RFID 讀寫功能的閱讀器（Reader）、用于配制Reader的主控上位機（PC）以及多個具有RFID標簽的節點（Node）。通信模塊主要由上層PC 和 RFID Reader 以及下層的多個節點構成。其中RFID Reader通過USB接口與PC連接，每個節點都包括單片機（MCU）、傳感器（Sensor）和射頻標簽（RFID Tag）三部分。

上層結構負責整個血氧傳感系統的協調和管理任務，通過獲取所有標簽的傳感器信息來規劃和協調各節點的行為。負責上下層數據傳輸的RFID系統的基本工作流程如下：

（1）閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，RFID Tag獲得能量被激活；

（2）射頻標簽將自身編碼和數據信息通過標簽內置發送天線發送出去；

（3）RFID Reader接收到標簽發送來的載波信號后，經天線調節器將信號傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼后送到后臺顯示所需要的處理。

系統的工作流程如下：

（1）系統運行后，PC開始定時向Reader發送查詢傳感器信息的命令，Reader基于ISO18000-6c協議按順序發送選擇（Select）、盤存（Query）、訪問（Access） 命令給Tag，Reader和Tag之間以電磁波的形式通信。

（2）接收到查詢命令的節點，MCU被激活，MCU發送使能信號給Sensor，Sensor完成相應的數據采集任務后，將這些信息以UART接口格式發送給MCU進行血氧算法處理，經處理后的血氧數據以SPI方式由MCU發送給RFID Tag。

（3）RFID Reader接收到RFID Tag的血氧信息后，通過USB接口將其送入PC中，在PC上使用VC++運行界面化程序實時顯示各個節點的血氧數據，并將歷史數據存入文本文件以便后期查詢。

3 系統軟件設計

3.1 程序總體結構設計

系統軟件在結構上可分為主控制程序、信號采集處理模塊、無線通信模塊和顯示模塊。主程序負責設備的啟動、信息的采集處理和發送。當設備啟動后，信號采集程序將對紅光和紅外光LED進行光調制，同時采集溫度信息，傳感器模塊輸出的信號經過放大、濾波處理后，分析其幅值與周期，并計算血氧飽和度、脈搏、溫度，隨后對計算結果進行顯示和發送。軟件主體程序結構如圖9所示。

3.2 ADC采集模塊設計

傳感器采集到的信號為模擬信號，需要做AD轉換，將模擬信號轉化為可以分析的電信號，在進行信號采集和AD轉換時，分別定時采集200個紅光脈搏樣本和紅外光樣本，在保證采集精度的同時又盡可能減小采集時間間隔。具體流程如圖10 所示。

3.3 信號放大、數字濾波

因為溫度傳感器采集到的信號較為簡單，因此這里對信號采集后的處理僅針對兩個LED的光信號。

信號放大包括直流抑制和交流放大，光電傳感器輸出的信號包括兩種光的交流和直流分量，而其中約95%為直流分量。體現人體脈搏信號的交流分量很小，因此需要將交流分量從信號中提取出來并放大，才能進行后續的濾波處理。數字濾波的作用在于將得到的交流脈搏信號進行降噪處理。采集到的信號的噪聲主要來自于身體運動和外部光線干擾，一般頻率較高，而需要得到的脈搏波的頻率僅為1～2 Hz，故采用低通濾波器進行濾波即可得到低頻脈搏信號。

3.4 血氧脈搏信號處理

首先，ADC定時采集200個紅光脈搏樣本和200個紅外光脈搏樣本，計算2組采集數據中的最大、最小值，取紅外光的最大、最小值的70%作為比較。在紅外光的200個數據中找到70%相近點，并做比較，計算脈搏頻率。通過大量實驗計算血樣與兩組脈搏的關系，計算血氧值。

3.5 溫度采集處理

溫度采集相對簡單，目前市面上的溫度傳感器均能達到很高的檢測精度。因此，我們只需對溫度采集算法作簡單處理即可。待直接采集體感溫度后，對采集到的初始數據作簡單處理，并等效成實際溫度數值。如此采集10次后求平均，作為一次溫度值返回。溫度采集流程如圖11所示。

3.6 RFID無線傳輸協議

無線傳輸是將采集處理后的數據通過RFID標簽無線發送到接收端，即閱讀器。在傳輸時需要遵循特定的通信協議，通信協議的結構包括幀前標識符、地址、特征碼、功能號（也叫幀類型）、幀內容、校驗和、幀后標識符等7部分，見表3所列。

在具體設計中采用了一個特殊字節0x55當作幀標識符（每幀數據都以幀標識符開頭，也以幀標識符結束），并對幀中的數據作了特殊處理，使得幀中的數據不可能出現與標識符一致的內容。單片機通過將數據逐幀寫入標簽，從而實現無線傳輸的功能，在接收端，閱讀器按照協議對數據進行解碼恢復。

4 結 語

本文的貢獻在于在已有的脈搏監測算法基礎上對其進行改進，并結合反射式傳感器和RFID技術搭建了無線傳感網絡的監測系統。本文的設計與其他檢測設備的佩戴方式相比具有較高的靈活性，不受佩戴位置的約束，可進一步小型化。適用于人體日常活動的監測，并可實時共享數據，對于醫院病人、療養院老人等生命體征的監測具有重要意義。

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