基于ZigBee通信的醫療監控

摘 要：在我國，醫療監護儀的使用是從心血管疾病的監護開始的。時至今日，醫療監護儀會針對病人的不同情況，根據其多方面的需求進行監護，以應對各種疾病，實現了從單一學科向多病種、多科室、多學科應用的跨越。近年來，隨著通信技術的發展，這些監護系統也在朝著無線可移動方向發展。文中以STM32單片機為主控芯片，集成了體溫計、心電信號記錄儀和血氧濃度檢測儀的大部分功能，并將采集的數據通過ZigBee無線傳輸至上位機，可為大數據分析提供數據支撐，實現了醫護人員對病人和家屬對病人的無接觸全時段監測，并能在出現異常時第一時間進行預警。

關鍵詞：STM32；ZigBee；ADS1292；心電信號；血氧濃度；環境數據采集

中圖分類號：TP277；TH789 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的發展，無線通信技術變得更加安全可靠，同時也給人們的生活帶來了便利。在醫療監控方面，通過無線互聯實現監控數據匯總可大大減少醫務人員的工作量，同時通過實時監控報警也可及時反饋報警情況。

目前，隨著ZigBee的應用和發展，其在智能機器、智慧農業、數據采集、安防產品、無線遙控和工業控制等領域都得到廣泛應用[1-3]，可見其已具有很高的可靠性。現基于該通信技術開發一款醫療監控設備，實現對病人心電信號、血氧濃度、體溫和所處環境相關情況的采集監控。該設備通過一個總機收集多個子機的監控信息，并匯總發送到上位機，醫護人員只需觀察上位機即可對多個病人的情況進行監控，同時帶有報警功能，可以根據病人的情況更改報警閾值。對環境信息的采集是一種輔助功能，醫生可以根據環境情況判斷該環境是否適合病人居住休養[4-6]。

1 系統整體設計

1.1 總體硬件方案設計

硬件系統如圖1所示，以STM32單片機為系統MCU，搭配電源系統、OLED顯示屏、蜂鳴器、LED燈、DHT11環境溫濕度傳感器、TG2600空氣質量傳感器、MAX30102血氧濃度傳感器、SPY31-B紅外測溫模組、ADS1292前端采集和ZigBee通信模塊等[7-8]。

1.2 總體軟件方案設計

軟件系統如圖2所示，其由采集監控MCU程序、總機MCU收發程序和上位機接收處理程序三大部分構成。采集監控MCU負責采集病人的心電、血氧等數據，其主要部分包括前端采集模塊的驅動、血氧濃度采集模塊的驅動、ZigBee模塊的通信、OLED交互顯示屏的驅動等；總機MCU收發程序主要負責處理不同采集監控MCU發來的信息，主要部分是ZigBee模塊的通信、采集監控模塊和上位機操作模塊間的通信；上位機接收處理程序負責處理總機MCU發過來的數據和下發操作人員對上位機功能的操作指令。

2 系統硬件設計

系統的整體硬件部分包括主從機的主控芯片、電源部分、心電信號采集芯片、血氧濃度傳感器、ZigBee通信、CH340串口通信轉換電路、空氣質量傳感器、OLED彩色屏幕驅動、DHT11溫濕度傳感器和蜂鳴器等。

2.1 主從機的主控芯片

采集端的微控制器采用了STM32F103RCT6芯片，內部集成了ARM Cortex-M3內核，工作頻率高達72 MHz，具有高性能和低功耗的特點。該微控制器具有128 KB的FLASH存儲器和20 KB的SRAM，可提供足夠的存儲空間；支持多種通信接口，包括USART、SPI、I2C和CAN等；具備多種定時器和計數器，包括通用定時器、高級控制定時器和基本定時器等，適用于各種實時應用；集成了多個模擬和數字外設，包括ADC、DAC、PWM和GPIO等，可滿足各種應用需求。由于其擁有高性能和豐富的外設集成，被廣泛應用于各種領域，包括工業控制、自動化設備、醫療設備、消費電子和通信設備等。STM32F103RCT6的低功耗特性和豐富的通信接口使其在物聯網和嵌入式系統中也得到了廣泛應用。

總機的微控制器采用了STM32F103C8T6芯片，相比于采集端的主控，其引腳數少，內存小，價格低。因為作為總機主要是負責通信和數據處理，不需要驅動太多外設，足以實現需要的功能。

2.2 電源部分

電源輸入端可接收標準的Type-C接口提供的5 V電源，給前端采集芯片ADS1292供電。5 V輸入電壓通過LDO轉換輸出3.3 V，給單片機和其他外設供電。電源芯片采用了AMS1117-3.3降壓芯片，AMS1117-3.3是一種線性穩壓器，能夠將輸入電壓降到3.3 V并穩定輸出。它具有低壓差特性，在輸入電壓與輸出電壓之間的差異較?。痪邆溥^熱保護功能，當芯片溫度超過一定閾值時，會自動關閉以保護芯片；支持較大的負載電流，通常能夠提供最高1 A的連續輸出電流。

2.3 心電信號采集芯片

心電信號采集通過ADS1292實現。ADS1292是德州儀器（Texas Instruments）推出的一款生物電信號測量芯片，專門用于心電圖（ECG）和腦電圖（EEG）等生物電信號的采集和處理。ADS1292是一款雙通道生物電信號測量芯片，可同時采集兩路生物電信號。它具有高精度的模擬前端，用于采集和放大微弱的生物電信號；支持多種采樣率和數據輸出格式，以滿足不同應用需求；內置24位的Σ-Δ模數轉換器（ADC），可實現高精度的信號轉換；具備低功耗特性，適合移動和便攜式應用。其主要用于醫療和健康監測領域，特別是在心電圖和腦電圖的測量和分析中。但其只是一款芯片，需要結合適當的外圍電路和軟件來完成完整的ECG或EEG系統設計。這里參考了德州儀器的相關技術文檔，配置了低通濾波器，實現了模擬電路和數字電路的供電分隔，完成了相關功能引腳的配置等。

2.4 血氧濃度傳感器

血氧濃度傳感器采用的是MAX30102，集成了紅外LED、可見光LED和光學傳感器，可用于非侵入性地監測心率和血氧飽和度。它具有高度集成的模塊化設計，包括模數轉換器（ADC）、數字濾波器和數據處理引擎，可實現精確的生物信號測量和處理；支持可編程的采樣率和分辨率，以適應不同應用需求；具備低功耗特性，適用于移動和便攜式設備；提供靈活的接口選項，包括I2C和SPI，方便與微控制器或其他設備進行通信，這里采用I2C通信。

2.5 ZigBee通信

E18-MS1PA1是一種由Ebyte推出的無線傳輸模塊。E18-MS1PA1模塊基于射頻芯片nRF24L01+，這款nRF24L01+芯片支持2.4 GHz的IEEE 802.15.4協議，這是ZigBee通信所采用的一種通信協議，具備較遠的傳輸距離和穩定的通信性能。

該模塊支持高達2 Mb/s的數據傳輸速率，可以提供可調節的輸出功率，以滿足不同應用需求，且具備良好的抗干擾能力和低功耗特性。

2.6 CH340串口通信轉換電路

CH340是一款USB轉UART（串口）芯片，由中國廠商江蘇沁恒公司生產。它是一種低成本、高性能的USB轉UART芯片，用于將USB接口轉換為UART串口接口。支持全速USB通信，即12 Mb/s的傳輸速率。具備自動流控制和自動功耗管理功能，以提高傳輸的穩定性和效率。支持多種數據格式和波特率，適用于各種串口通信需求。提供多種接口選項，包括USB Type-A、USB Type-C和DIP封裝等。這里使用的接口是USB Type-C，搭配的外部晶振是12 MHz。

2.7 空氣質量傳感器

選用由菲加羅工程公司生產的TGS2600氣體傳感器。它是一種半導體氣體傳感器，基于電化學原理，用于檢測空氣中的特定氣體體積分數。它可以檢測多種氣體，包括甲醛、乙醛、丙酮、酒精等有機溶劑氣體。它具備快速響應和高靈敏度，能夠實時檢測氣體體積分數變化。傳感器輸出的電阻值與被檢測氣體的體積分數呈線性關系，可通過測量電阻值來估算氣體體積分數。

2.8 OLED彩色屏幕驅動

屏幕尺寸是1.8英寸的液晶彩色屏幕，采用SPI通信協議，驅動芯片是ST7735，由意法半導體公司生產。ST7735是一種高度集成的顯示控制器，專為彩色TFT LCD顯示屏設計。它支持SPI（串行外設接口）通信協議，通過SPI總線與主控制器進行通信。支持多種分辨率和色彩模式，包括RGB 565、RGB 666和RGB 888等。具備內置圖形加速器，可以實現快速的圖形渲染和顯示。支持多種顯示模式和特性，如水平/垂直滾動、局部顯示、睡眠模式等。

2.9 DHT11溫濕度傳感器和蜂鳴器

環境溫濕度采集選用的是DHT11，它是一種低成本、易于使用的數字溫濕度傳感器，由溫濕度傳感器和數字信號處理芯片組成。它采用單一總線數據傳輸協議，通過單一的數字引腳與主控制器進行通信。可以測量的溫度范圍為0～ 50 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH。輸出數據的精度為±2 ℃（溫度）和±5%RH（濕度）。

由于擔心STM32的驅動電流過小，無法使蜂鳴器工作，這里采用三極管來驅動，通過控制GPIO引腳的電平來控制三極管的開關狀態，從而驅動蜂鳴器工作。

3 系統軟件程序設計

3.1 采集監控MCU程序

采集監控MCU程序框圖如圖3所示。首先，硬件系統上電啟動，對時鐘進行初始化，包括系統時鐘的配置及各外設和I/O口時鐘的開啟。再對各外設進行初始化和模式的配置，包括硬件SPI、模擬I2C、ADC等的初始化，按鍵和LED的I/O口配置等。在初始化完成后，開始驅動OLED彩色液晶屏，進行初始信息顯示。之后判斷環境測量功能是否開啟，如果開啟就先驅動TGS2600和DHT11獲取環境的溫濕度和空氣質量；如果沒有開啟就不驅動這兩個模塊。接著進行人體心電信號、血氧濃度和體溫的采集。采集完成后對數值與設定的閾值進行比較，如果有異常則蜂鳴器鳴響，報警LED閃爍。最后匯總信息發送至總機，更新屏幕顯示。如此循環實現對相關信息的實時測量。

3.1.1 STM32時鐘初始化

因為是使用HAL庫對STM32進行編程開發，所以首先要在CubeMX這個軟件上進行時鐘樹的配置：時鐘源選擇外部晶體振蕩器（HSE），HSE倍頻設為72 MHz，采用默認的時鐘分頻器的配置。STM32 HAL庫的時鐘配置功能是配置和管理系統時鐘和外設時鐘的關鍵工具。它能提供多種系統時鐘源選項、控制系統時鐘頻率、配置外設時鐘源、確保時鐘的穩定性和準確性[9]。

3.1.2 STM32外設初始化

由于TGS2600傳感器輸出的是電壓信號，所以通過單片機的ADC外設進行采集。STM32的ADC外設初始化的步驟包括選擇ADC時鐘源、設置ADC時鐘分頻器以獲得適當的采樣速率、選擇要使用的ADC通道、設置每個通道的采樣時間、選擇轉換模式等。通過這些步驟完成了對ADC外設的初始化，以確保其能夠在應用中正常運行并提供準確的轉換結果。

接著是SPI外設的初始化。STM32的串行外設接口（SPI）的初始化包括配置SPI時鐘源和分頻系數、選擇SPI的工作模式、設置數據幀格式、配置NSS引腳的模式和電平極性、設置數據傳輸速度以及可選擇地配置中斷和DMA通道。

血氧濃度的測量是通過I2C通信實現的，而STM32的I2C外設初始化包括配置I2C時鐘源和分頻系數、選擇工作模式（主模式或從模式）、設置I2C地址、設置數據傳輸速度、可選擇地配置中斷和DMA通道、配置電氣特性以及可選擇地配置時鐘拉伸功能。

其他普通外設（LED、按鍵、蜂鳴器等）初始化較為簡單，STM32的普通I/O口初始化包括配置引腳模式、引腳類型、引腳速度、引腳上下拉電阻等。

3.2 總機MCU收發程序

該程序主要負責數據中轉，接收各個ZigBee子模塊傳輸過來的數據并轉發給電腦。

3.3 上位機接收處理程序

該程序負責將總機傳輸過來的數據進行顯示。這里利用了C#語言搭建上位機，簡易顯示了各子模塊的數據，并可以修改報警值[10-11]。

4 結果測試

系統測試結果：心電圖顯示正常，且能反饋心率；環境溫濕度和體溫采集正常；血氧濃度測量結果與智能手環的監測結果相差不大；空氣質量數值正常；各個模塊通信傳輸正常；上位機接收顯示正常；邏輯功能驗證正常。綜上，以上基本功能均在產品上得到實現。

5 結 語

本文設計了一款基于ZigBee通信的醫療系統，重點對通信配置、心電血氧信號和環境數據采集等功能進行了設計，實現了無線傳感器與醫療設備之間的可靠數據傳輸和通信。

參考文獻

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