基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

饒珂萌

(3201醫(yī)院 感染性疾病科,陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人體生理參數(shù)變化已經(jīng)成為醫(yī)護(hù)人員對病人治療的主要依據(jù)。在今年受疫情影響，全國醫(yī)護(hù)人員的工作量倍增，醫(yī)護(hù)人員需要同時對多個病人生理參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和統(tǒng)計。傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備需要醫(yī)護(hù)人員實時觀察和記錄，在今年這種疫情突發(fā)和病人激增的條件下，這種人工監(jiān)測方法不但工作效率低下，而且不能有效地保護(hù)醫(yī)護(hù)人員安全[1-4]。這種傳統(tǒng)的醫(yī)護(hù)監(jiān)測裝置已不能滿足醫(yī)護(hù)人員同時對多個病人生理參數(shù)實時監(jiān)測的要求，本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)利用LabVIEW平臺開發(fā)了上位機(jī)，通過Zigbee組網(wǎng)以及GPRS協(xié)調(diào)實現(xiàn)下位機(jī)的無線傳輸，醫(yī)護(hù)人員可以通過上位機(jī)或者移動終端實時觀察病人的生理參數(shù)變化，可以滿足醫(yī)護(hù)人員的應(yīng)用要求。下位機(jī)是由脈搏傳感器和STM32控制器組成，可實現(xiàn)低功耗、長時間對病人生理參數(shù)踐行采集。同時可以設(shè)置不同監(jiān)測點對不同病人同時監(jiān)測，監(jiān)測到的人體生理參數(shù)可以在中央護(hù)理系統(tǒng)實時顯示。通過對一個節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。該系統(tǒng)精度較高，可以為醫(yī)院進(jìn)行推廣。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由多個采集終端、Zigbee無線通信和協(xié)調(diào)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)接入以及上位機(jī)等組成。通過控制器STM32驅(qū)動采集節(jié)點傳感器對不同病人生理信息進(jìn)行采集并在采集終端顯示，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器Zigbee將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯總節(jié)點，匯總節(jié)點將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、打包以及存儲再通過GPRS模塊上傳至上位機(jī)或者云平臺進(jìn)行顯示分析。整體系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 整機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 心電采集模塊設(shè)計

心電采集模塊采用自帶脈搏傳感器的光學(xué)傳感器構(gòu)成，心電采集模塊電路設(shè)計使用產(chǎn)生模擬信號的心電傳感器采集人體的心電信息，模擬信號經(jīng)濾波后，進(jìn)行ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換使模擬信號變?yōu)榭刂破骺梢宰R別的數(shù)字信號，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過IIC協(xié)議發(fā)送至控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。心電傳感器工作原理是利用光學(xué)原理進(jìn)行檢測的，心電傳感器中當(dāng)光感受器檢測到LED反射的光時，產(chǎn)生的信號通過低通濾波器濾波后，經(jīng)運算放大器將信號放大后輸出，由于該傳感器采集到的信號比較微弱，容易受到噪聲影響，所以在采集端設(shè)計了放大電路對信號進(jìn)行了放大同時設(shè)計了濾波電路對系統(tǒng)中的噪聲和干擾進(jìn)行了濾除，放大電路設(shè)計使用專門的儀器放大器進(jìn)行實現(xiàn)，濾波電路設(shè)計的低通濾波器截止頻率按照電路電阻電容計算設(shè)計為10 Hz，信號經(jīng)放大濾波電路后再經(jīng)PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號后傳給控制模塊進(jìn)行處理。心電電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 心電信號采集電路

1.2 無線模塊電路設(shè)計

無線傳輸模塊由Zigbee通信協(xié)調(diào)模塊和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，Zigbee通信模塊主要采用CC2530芯片為核心進(jìn)行設(shè)計，該芯片是由TI公司研發(fā)一款內(nèi)部含有一塊高效的處理器8051同時含有一款高性能2.4 GHz射頻收發(fā)器模塊的芯片，該款無線芯片構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點成本比較低符合設(shè)計要求。其在系統(tǒng)中主要工作是收發(fā)通過處理器STM32處理按照算法處理好的各個采集節(jié)點采集的人體生理參數(shù)[5-7]。Zigbee模塊是一款基于UART接口的全雙工無線透明傳輸模塊，可以工作在2 400～2 450 MHz公用頻段。符合IEEE 802.15.4協(xié)議的16個信道劃分，通過該模塊可以使傳統(tǒng)的串口設(shè)備實現(xiàn)無線傳輸，替換掉復(fù)雜的布線工作。支持不間斷發(fā)送，不限包長，點對點通信可實現(xiàn)0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發(fā)射功率為20 dBm，芯片集成了一塊CC2591功放，可測距離達(dá)250 m。該模塊可根據(jù)實際需求，使用板載按鍵進(jìn)行設(shè)置，可以修改模塊的信道、波特率和工作模式。其模塊參數(shù)為工作頻率為2 400～2 450 MHz；發(fā)射功率為4.5 dBm；傳輸速率為最高3 300 Bps；傳輸距離可達(dá)250 m，支持工作模式兩種工作模式分別為點對點工作模式、廣播工作模式；通信接口為UART串口(支持8種波特率)；Zigbee模塊的電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 Zigbee模塊的電路設(shè)計圖

設(shè)計中設(shè)計了無線遠(yuǎn)程傳輸功能，采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，該模塊電路設(shè)計選用型號為SIM800C作為核心模塊,此模塊在整個系統(tǒng)中的工作是將Zigbee協(xié)調(diào)模塊得到的信號協(xié)調(diào)發(fā)送給服務(wù)器或者上位機(jī)，同時可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值對比處理，如果發(fā)現(xiàn)和設(shè)置健康指數(shù)嚴(yán)重不符進(jìn)行啟動醫(yī)護(hù)報警提示，或者將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給主治醫(yī)生手機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處理[8]。系統(tǒng)GPRS模塊的電路設(shè)計如圖4所示。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)整體軟件包括各個病人檢測終端檢測節(jié)點數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計，Zigbee和GPRS無線通信和協(xié)調(diào)軟件設(shè)計，進(jìn)行閾值醫(yī)護(hù)報警提示軟件設(shè)計，整體顯示模塊軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計5個部分。

2.1 各個病人檢測終端節(jié)點軟件設(shè)計

病人檢測采集終端節(jié)點軟件設(shè)計，首先是整個系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位處理和各個采集傳感器模塊進(jìn)行初始化，各個病人節(jié)點傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過處理器按照相應(yīng)算法處理和校正后把信號通過Zigbee模塊對其進(jìn)行組網(wǎng)進(jìn)行無線發(fā)送。Zigbee模塊和處理器STM32是經(jīng)過串口進(jìn)行通信將處理器處理好的實際數(shù)據(jù)結(jié)果傳給協(xié)調(diào)匯總節(jié)點。整個檢測節(jié)點程序流程如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)中作用是橋梁作用，是將不同采集端口得到的數(shù)據(jù)處理匯總打包發(fā)送給上位機(jī)的核心部分。其由處理模塊STM32、Zigbee通信模塊和GPRS無線發(fā)送模塊組成，首先是系統(tǒng)和各個模塊初始化，STM32處理器通過UART3控制Zigbee無線通信模塊進(jìn)行模塊之間的數(shù)據(jù)通信，將發(fā)送端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次校驗和分析處理傳輸給GPRS模塊，STM32處理器UART3和GPRS模塊之間通信可以將得到的數(shù)據(jù)重新打包處理再通多串口發(fā)送至服務(wù)器或PC機(jī)，同時也可將數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺。協(xié)調(diào)器設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器流程圖

2.3 Zigbee模塊的軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用Zigbee模塊是通過串口通信的方式與主控制單片機(jī)所連接。通過模塊上的按鍵配置為信道相同的兩個模塊，并設(shè)置工作模式一個為點對點A端，一個為點對點B端。無線模塊和單片機(jī)以串口的方式連接，為了區(qū)分不同終端和某一傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，終端采用數(shù)據(jù)頭+采集的對應(yīng)數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)尾，采集對應(yīng)的數(shù)據(jù)又分為某一傳感器的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾。數(shù)據(jù)主Zigbee和兩個從Zigbee之間通信采用點名式思想方案，當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個字符o，1號終端接收此字符則發(fā)送當(dāng)前采集打包好的數(shù)據(jù)包，主機(jī)接收到這包數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。判斷這包數(shù)據(jù)的尾時，繼續(xù)發(fā)送一個字符d，2號終端接收此命令字符，然后發(fā)送當(dāng)前的數(shù)據(jù)包，主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，接著以次程序的循環(huán)執(zhí)行。主機(jī)接收數(shù)據(jù)時使用串口中斷，當(dāng)接收到判斷到數(shù)據(jù)尾標(biāo)志位清0停止存放。最后主機(jī)合成終端一和終端二的數(shù)據(jù)，將次數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊的發(fā)送函數(shù)。Zigbee串口配置初始化和對應(yīng)傳輸協(xié)議流程如圖7所示。

圖7 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.4 GPRS模塊的軟件設(shè)計

系統(tǒng)對打包好的數(shù)據(jù)進(jìn)行了遠(yuǎn)距離無線傳輸，采用GPRS模塊進(jìn)行實現(xiàn)，系統(tǒng)使用了GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議，其模塊的初始化以及功能的配置，都使用了32芯片的串口通信，以AT指令的方式，發(fā)送命令給模塊，以來配置模塊的波特率、激活移動場景、無線透傳模式、所要連接的遠(yuǎn)端服務(wù)器類型IP地址和目的端號等工功能信息。然后系統(tǒng)對SIM卡狀態(tài)愛是否在位進(jìn)行循環(huán)檢測、接入系統(tǒng)的SIM卡是否有移動網(wǎng)絡(luò)；等待模塊初始化成功之后將采集打包好的數(shù)據(jù)以定時的方式，繼續(xù)通過AT指令發(fā)送出去。其軟件配置流程如圖8所示。

圖8 GPRS模塊配置流程圖

2.5 上位機(jī)軟件設(shè)計

設(shè)計中上位機(jī)是通多串口接收無線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并實時地根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制檢測節(jié)點心電圖，設(shè)計中設(shè)計了一個人的上位機(jī)終端，系統(tǒng)同時可以設(shè)計5個以上檢測終端進(jìn)行觀察人體生理參數(shù)可以看心電圖，并通過指示燈的方式對曲線的跳動規(guī)則進(jìn)行顯示，同時按照相應(yīng)算法進(jìn)行心理值的顯示。此系統(tǒng)上位機(jī)使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行制作。上位機(jī)負(fù)責(zé)傳輸?shù)浇邮战K端的數(shù)據(jù)及其心電圖的顯示，LabVIEW是一款基于程序開發(fā)設(shè)計軟件，設(shè)計不用代碼只需采用框圖進(jìn)行設(shè)計，可以縮短開發(fā)流程和時間，設(shè)計中LabVIEW設(shè)計滿足無線信號實時顯示波形數(shù)據(jù)[9-13]。同時終端的數(shù)據(jù)也可以同時發(fā)送給主治醫(yī)生的手機(jī)或者云端進(jìn)行醫(yī)療提醒，上位機(jī)的前面板Labview程序的UI顯示界面，包括了波形顯示、串口選擇、波特率設(shè)置件、狀態(tài)提示、脈搏血壓狀態(tài)指示燈、心率血壓血氧值顯示等控件。上位機(jī)設(shè)計界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW設(shè)計上位機(jī)界面

程序面板為上位機(jī)的程序框圖，其作用是使得各控件之間能相互進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，以及系統(tǒng)與外部程序或接口之間進(jìn)行通信，比如操作計算機(jī)的串口，鏈接其他應(yīng)用程序，或者操作網(wǎng)絡(luò)接口等。與傳統(tǒng)代碼語言不同的是，Labview的編程使用的是圖形語言，其作用和傳統(tǒng)語言類似，屬于面向?qū)ο箢愋停瑑?yōu)點是相對傳統(tǒng)代碼語言來說更加直觀，便于編寫。上機(jī)程序面板如圖10所示。

圖10 上位機(jī)程序框圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 放大電路測試和濾波電路測試

由于傳感器采集信號微弱需要放大，系統(tǒng)設(shè)計了一種儀器放大電路，系統(tǒng)對傳感器放大電路設(shè)計采用MCP-6001運算發(fā)達(dá)器芯片進(jìn)行設(shè)計，放大器設(shè)計是利用運放進(jìn)行設(shè)計，按照放大電路的運算規(guī)則設(shè)計了放大倍數(shù)為330倍左右上下可調(diào)的放大器裝置，測試中將脈搏傳感器采集到的微弱電信號接入放器的輸入端口，在輸出端口示波器可以觀察輸出信號的變化關(guān)系。可以分析計算出實際放大器的放大倍數(shù)。測試中采用雙通示波器進(jìn)行觀察，得到輸入輸出實際波形圖，通過示波器可以觀察到信號被明顯放大。測試心電信號放大器前后的心電圖結(jié)果如圖11所示。

圖11 放大電路輸入輸出結(jié)果測試

同時系統(tǒng)設(shè)計了濾波電路對傳感器采集的信號進(jìn)行噪聲處理，設(shè)計了一款低通濾波電路，低通濾波器設(shè)計采用RC積分低通濾波電路來實現(xiàn)，按照相應(yīng)硬件電路計算設(shè)計信號帶寬，該濾波器主要濾除電源和其他電路引如系統(tǒng)的高頻噪聲信號。測試中將脈搏傳感器接入濾波電路輸入端，用示波器同時測量輸入輸出信號的變化，比較輸入輸出的波形，觀察濾波效果。通過圖像觀察濾波器對噪聲濾除較好，符合設(shè)計要求，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)低通濾波器測試結(jié)果

3.2 發(fā)送終端顯示模塊測試

整個系統(tǒng)在設(shè)計中在各個檢測節(jié)點終端設(shè)計了顯示模塊，通過該模塊病人自己可以實時觀察自己身體參數(shù)顯示測得數(shù)據(jù)及心電波形圖，通過系統(tǒng)設(shè)計的屏幕測試顯示分析，可以看出系統(tǒng)設(shè)計效果良好，整個系統(tǒng)是在有噪聲和進(jìn)行取噪聲條件下進(jìn)行顯示分析，去噪發(fā)送端測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)發(fā)送終端顯示效果

3.3 對上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試分析

在接收機(jī)終端對設(shè)計系統(tǒng)整體進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析測試，BPM數(shù)值是通過測量間隔時間進(jìn)行分析計算得到，測試條件是對同一人用設(shè)計系統(tǒng)和現(xiàn)有醫(yī)學(xué)通用儀器進(jìn)行對比測試，可以得到設(shè)計的系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，誤差較小誤，誤差控制在3%以內(nèi)。測試對比結(jié)果如表1所示。

表1 心率對比測試結(jié)果

同時數(shù)據(jù)可以通過設(shè)計好的上位機(jī)直觀地觀察所測的數(shù)據(jù)，通過設(shè)計的上位機(jī)可以看出系統(tǒng)工作正常，圖形界面顯示比較清晰，可以為醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行圖形分析，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。上位機(jī)顯示畫面如圖14所示。

圖14 位機(jī)顯示結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時對多個病人進(jìn)行醫(yī)護(hù)監(jiān)測，設(shè)計對一個節(jié)點進(jìn)行了軟硬件設(shè)計測試，通過測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)有通用醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，證明了該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對病人生理參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，精度可達(dá)2%。該系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有醫(yī)護(hù)人員對多個病人生理參數(shù)同時實時監(jiān)測的要求，可以為醫(yī)院推廣。