基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監測系統設計

饒珂萌

(3201醫院 感染性疾病科,陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著醫學技術的發展，人體生理參數變化已經成為醫護人員對病人治療的主要依據。在今年受疫情影響，全國醫護人員的工作量倍增，醫護人員需要同時對多個病人生理參數進行實時監測和統計。傳統的醫療監護設備需要醫護人員實時觀察和記錄，在今年這種疫情突發和病人激增的條件下，這種人工監測方法不但工作效率低下，而且不能有效地保護醫護人員安全[1-4]。這種傳統的醫護監測裝置已不能滿足醫護人員同時對多個病人生理參數實時監測的要求，本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監測系統，系統利用LabVIEW平臺開發了上位機，通過Zigbee組網以及GPRS協調實現下位機的無線傳輸，醫護人員可以通過上位機或者移動終端實時觀察病人的生理參數變化，可以滿足醫護人員的應用要求。下位機是由脈搏傳感器和STM32控制器組成，可實現低功耗、長時間對病人生理參數踐行采集。同時可以設置不同監測點對不同病人同時監測，監測到的人體生理參數可以在中央護理系統實時顯示。通過對一個節點進行數據測試系統滿足設計要求。該系統精度較高，可以為醫院進行推廣。

1 系統的硬件設計

整個系統由多個采集終端、Zigbee無線通信和協調器、GPRS網絡接入以及上位機等組成。通過控制器STM32驅動采集節點傳感器對不同病人生理信息進行采集并在采集終端顯示，同時將采集到的數據通過協調器Zigbee將數據發送給匯總節點，匯總節點將數據進行分析、打包以及存儲再通過GPRS模塊上傳至上位機或者云平臺進行顯示分析。整體系統的硬件設計如圖1所示。

圖1 整機硬件結構圖

1.1 心電采集模塊設計

心電采集模塊采用自帶脈搏傳感器的光學傳感器構成，心電采集模塊電路設計使用產生模擬信號的心電傳感器采集人體的心電信息，模擬信號經濾波后，進行ADC數模轉換使模擬信號變為控制器可以識別的數字信號，再將轉換后的數字信號通過IIC協議發送至控制模塊進行數據處理。心電傳感器工作原理是利用光學原理進行檢測的，心電傳感器中當光感受器檢測到LED反射的光時，產生的信號通過低通濾波器濾波后，經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，所以在采集端設計了放大電路對信號進行了放大同時設計了濾波電路對系統中的噪聲和干擾進行了濾除，放大電路設計使用專門的儀器放大器進行實現，濾波電路設計的低通濾波器截止頻率按照電路電阻電容計算設計為10 Hz，信號經放大濾波電路后再經PCF8591數模轉換電路轉換，轉換后的信號后傳給控制模塊進行處理。心電電路設計如圖2所示。

圖2 心電信號采集電路

1.2 無線模塊電路設計

無線傳輸模塊由Zigbee通信協調模塊和GPRS遠程數據傳輸模塊組成，Zigbee通信模塊主要采用CC2530芯片為核心進行設計，該芯片是由TI公司研發一款內部含有一塊高效的處理器8051同時含有一款高性能2.4 GHz射頻收發器模塊的芯片，該款無線芯片構建網絡節點成本比較低符合設計要求。其在系統中主要工作是收發通過處理器STM32處理按照算法處理好的各個采集節點采集的人體生理參數[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協議的16個信道劃分，通過該模塊可以使傳統的串口設備實現無線傳輸，替換掉復雜的布線工作。支持不間斷發送，不限包長，點對點通信可實現0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發射功率為20 dBm，芯片集成了一塊CC2591功放，可測距離達250 m。該模塊可根據實際需求，使用板載按鍵進行設置，可以修改模塊的信道、波特率和工作模式。其模塊參數為工作頻率為2 400～2 450 MHz；發射功率為4.5 dBm；傳輸速率為最高3 300 Bps；傳輸距離可達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模塊的電路設計如圖3所示。

圖3 Zigbee模塊的電路設計圖

設計中設計了無線遠程傳輸功能，采用GPRS模塊進行數據遠距離傳輸，該模塊電路設計選用型號為SIM800C作為核心模塊,此模塊在整個系統中的工作是將Zigbee協調模塊得到的信號協調發送給服務器或者上位機，同時可以對數據進行閾值對比處理，如果發現和設置健康指數嚴重不符進行啟動醫護報警提示，或者將數據直接發送給主治醫生手機進行相應的應急處理[8]。系統GPRS模塊的電路設計如圖4所示。

2 系統的軟件設計

系統整體軟件包括各個病人檢測終端檢測節點數據采集軟件設計，Zigbee和GPRS無線通信和協調軟件設計，進行閾值醫護報警提示軟件設計，整體顯示模塊軟件設計和上位機軟件設計5個部分。

2.1 各個病人檢測終端節點軟件設計

病人檢測采集終端節點軟件設計，首先是整個系統進行上電復位處理和各個采集傳感器模塊進行初始化，各個病人節點傳感器采集到的數據通過處理器按照相應算法處理和校正后把信號通過Zigbee模塊對其進行組網進行無線發送。Zigbee模塊和處理器STM32是經過串口進行通信將處理器處理好的實際數據結果傳給協調匯總節點。整個檢測節點程序流程如圖5所示。

2.2 系統協調器模塊軟件設計

系統協調器在整個系統中作用是橋梁作用，是將不同采集端口得到的數據處理匯總打包發送給上位機的核心部分。其由處理模塊STM32、Zigbee通信模塊和GPRS無線發送模塊組成，首先是系統和各個模塊初始化，STM32處理器通過UART3控制Zigbee無線通信模塊進行模塊之間的數據通信，將發送端口發送過來的數據進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據重新打包處理再通多串口發送至服務器或PC機，同時也可將數據發送給云平臺。協調器設計流程如圖6所示。

圖6 協調器流程圖

2.3 Zigbee模塊的軟件設計

系統采用Zigbee模塊是通過串口通信的方式與主控制單片機所連接。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。無線模塊和單片機以串口的方式連接，為了區分不同終端和某一傳感器所獲取的數據，終端采用數據頭+采集的對應數據+數據尾，采集對應的數據又分為某一傳感器的數據頭和數據尾。數據主Zigbee和兩個從Zigbee之間通信采用點名式思想方案，當主機發送一個字符o，1號終端接收此字符則發送當前采集打包好的數據包，主機接收到這包數據并進行解析。判斷這包數據的尾時，繼續發送一個字符d，2號終端接收此命令字符，然后發送當前的數據包，主機進行數據判斷，接著以次程序的循環執行。主機接收數據時使用串口中斷，當接收到判斷到數據尾標志位清0停止存放。最后主機合成終端一和終端二的數據，將次數據傳送給GPRS模塊的發送函數。Zigbee串口配置初始化和對應傳輸協議流程如圖7所示。

圖7 Zigbee數據傳輸流程圖

2.4 GPRS模塊的軟件設計

系統對打包好的數據進行了遠距離無線傳輸，采用GPRS模塊進行實現，系統使用了GPRS模塊的TCP/IP協議，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、所要連接的遠端服務器類型IP地址和目的端號等工功能信息。然后系統對SIM卡狀態愛是否在位進行循環檢測、接入系統的SIM卡是否有移動網絡；等待模塊初始化成功之后將采集打包好的數據以定時的方式，繼續通過AT指令發送出去。其軟件配置流程如圖8所示。

圖8 GPRS模塊配置流程圖

2.5 上位機軟件設計

設計中上位機是通多串口接收無線通信傳輸的數據，并實時地根據接收到的數據進行分析繪制檢測節點心電圖，設計中設計了一個人的上位機終端，系統同時可以設計5個以上檢測終端進行觀察人體生理參數可以看心電圖，并通過指示燈的方式對曲線的跳動規則進行顯示，同時按照相應算法進行心理值的顯示。此系統上位機使用LabVIEW開發環境進行制作。上位機負責傳輸到接收終端的數據及其心電圖的顯示，LabVIEW是一款基于程序開發設計軟件，設計不用代碼只需采用框圖進行設計，可以縮短開發流程和時間，設計中LabVIEW設計滿足無線信號實時顯示波形數據[9-13]。同時終端的數據也可以同時發送給主治醫生的手機或者云端進行醫療提醒，上位機的前面板Labview程序的UI顯示界面，包括了波形顯示、串口選擇、波特率設置件、狀態提示、脈搏血壓狀態指示燈、心率血壓血氧值顯示等控件。上位機設計界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW設計上位機界面

程序面板為上位機的程序框圖，其作用是使得各控件之間能相互進行數據連接，以及系統與外部程序或接口之間進行通信，比如操作計算機的串口，鏈接其他應用程序，或者操作網絡接口等。與傳統代碼語言不同的是，Labview的編程使用的是圖形語言，其作用和傳統語言類似，屬于面向對象類型，優點是相對傳統代碼語言來說更加直觀，便于編寫。上機程序面板如圖10所示。

圖10 上位機程序框圖

3 實驗結果與分析

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，系統設計了一種儀器放大電路，系統對傳感器放大電路設計采用MCP-6001運算發達器芯片進行設計，放大器設計是利用運放進行設計，按照放大電路的運算規則設計了放大倍數為330倍左右上下可調的放大器裝置，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系。可以分析計算出實際放大器的放大倍數。測試中采用雙通示波器進行觀察，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果如圖11所示。

圖11 放大電路輸入輸出結果測試

同時系統設計了濾波電路對傳感器采集的信號進行噪聲處理，設計了一款低通濾波電路，低通濾波器設計采用RC積分低通濾波電路來實現，按照相應硬件電路計算設計信號帶寬，該濾波器主要濾除電源和其他電路引如系統的高頻噪聲信號。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，符合設計要求，測試結果如圖12所示。

圖12 系統低通濾波器測試結果

3.2 發送終端顯示模塊測試

整個系統在設計中在各個檢測節點終端設計了顯示模塊，通過該模塊病人自己可以實時觀察自己身體參數顯示測得數據及心電波形圖，通過系統設計的屏幕測試顯示分析，可以看出系統設計效果良好，整個系統是在有噪聲和進行取噪聲條件下進行顯示分析，去噪發送端測試結果如圖13所示。

圖13 系統發送終端顯示效果

3.3 對上位機接收到的數據進行測試分析

在接收機終端對設計系統整體進行了數據分析測試，BPM數值是通過測量間隔時間進行分析計算得到，測試條件是對同一人用設計系統和現有醫學通用儀器進行對比測試，可以得到設計的系統運行比較穩定，誤差較小誤，誤差控制在3%以內。測試對比結果如表1所示。

表1 心率對比測試結果

同時數據可以通過設計好的上位機直觀地觀察所測的數據，通過設計的上位機可以看出系統工作正常，圖形界面顯示比較清晰，可以為醫護人員進行圖形分析，系統達到了設計目標。上位機顯示畫面如圖14所示。

圖14 位機顯示結果

4 結束語

本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監測系統，該系統可以同時對多個病人進行醫護監測，設計對一個節點進行了軟硬件設計測試，通過測試數據和現有通用醫學儀器進行數據對比分析，證明了該系統能夠準確地對病人生理參數進行實時監測，精度可達2%。該系統能夠解決現有醫護人員對多個病人生理參數同時實時監測的要求，可以為醫院推廣。