远程穿戴脉搏监控与病情定位系统的设计实现

胡燕祝，张福琦，李雷远

（北京邮电大学 北京 100876）

远程穿戴脉搏监控与病情定位系统的设计实现

胡燕祝，张福琦，李雷远

（北京邮电大学 北京 100876）

基于半自动监控病理脉搏及紧急病情定位的目的，采用光电传感器采集人体腕部表浅层动脉脉搏，双极性放大器OP07做调理、滤波、升压等预处理，CC2530芯片数模转换，ZigBee协议传输信号，上位机显示，供医护人员监视，结合星型无线传输实验、调理电路仿真实验、上位机显示实验、功率测量实验，得到了准确可视化脉搏，监测过程具有安全无害性、移动便捷性、实时可靠性，并能够通过定位算法较准确定位至紧急情况病房，整套系统具备广泛医用推广条件。

ZigBee；光电传感；紧急定位；上位机显示

临床上，心脏相关疾病会明显地影响脉搏。脉搏的准确测量、合理显示与紧急处理是医院的迫切需求。在中医领域，脉象更具有丰富的病理信息。人体脉搏一般在每分钟60～100次，频率在20 Hz以下，属于低频率低能量信号，给脉搏信号的机器采集带来困难。心血管病人逐年增多，医院医护人员监视压力增大，夜间脉搏出现异常时，不能及时救治，导致病人生命垂危。无线监测是改进于有线监测，目的在于扩大监控范围，方便患者移动；ZigBee协议传输范围远，抗干扰能力强，传输信号稳定[1-2]；穿戴式设备有助于实时、准确得到患者表层皮肤动脉信息[3]；脉搏可视化旨在为医护工作者提供更直观的病理信息[4]；紧急病情定位可减少人工定位所需时间。综上所述，无线穿戴式远程可视化脉搏监控目前已成为脉搏检测领域的研究热点。

可见，对于脉搏监测与紧急情况准确定位变得十分重要。为了实现上述功能，在进行了实际需求的基础上，提出并设计了一套基于ZigBee的穿戴式无线远程可视化脉搏监控与紧急病理定位系统（以下简称“脉搏监控系统”）设计与实现方案。该系统能够可靠、稳定、迅速、安全地实现监控定位功能。

1 总体设计

脉搏监控系统的设计要求有延迟小、精度高、抗干扰能力强，采集的数据较多，需要处理能力强、丢包率低。总体方案如图1所示。终端采集脉搏信息，微处理器编码，天线发射；中继器测量接收功率，转发接收信息；协调器接收信息，与上位机通信；上位机串口接收数据，遵从协议提取有效信息，存储数据并绘制波形图，紧急情况定位至病房。系统中协调器唯一，路由器组建信道，终端穿戴在患者身上。

2 系统硬件设计

硬件分为采集模块、预处理模块、单片机模块、中继器、协调器、上位机。其中采集、预处理、单片机模块组成穿戴部分。上位机为系统运转核心，处理数据、存储数据、显示数据。下位机主要由信号输入、人机交互、烧写调试、通信接口等模块及核心板组成。下位机结构框图如图2所示。

采集：选择NJL5303R贴片式绿光反射光电传感器。该传感器以波长570 nm绿光采样，血管吸收部分，光电晶体管将反射光强转化为电压信号输出，提高了信噪比。LED与光电晶体管组合封装入小型COB封装，可灵活自由地测量身体表层血管。输出电流约20 μA，需后续放大电路支持。原件材料无铅、无卤化物，适合接触人体皮肤，回收无污染。

预处理：模块主要由前置放大电路、主放大电路、低通滤波电路及数模信号转换电路组成。前置放大初级放大，RC滤波电路去除传感器噪声；主放大电路次级放大，RC滤波电路去除放大过程的噪声；模拟信号输出便于脉搏波形显示算法的实现；数字电路输出便于脉搏计数算法的实现。放大电路倍数可用电位器调节。

微处理器：采用TI公司CC2530芯片作为下位机处理器，Zstack协议栈进行数据传输，实现网状组网。外接件少。待机功率很低，可以作为长时间通信使用，空闲输出电流仅29 mA。它的唤醒时间短，仅4 μs。微控制器内核兼容8051，内存256 KB。芯片具有3个定时器，支持看门狗。

CC2530作为终端，中继器和协调器的核心芯片[5]。终端完成A/D采集功能，将数据2.4 G天线进行广播式发射。路由器负责转发终端及相邻路由器的数据，测量子节点的信号强度，准备定位算法。协调器负责信号采集和与上位机的串口通信。

图1 系统总体结构图

图2 下位机结构图

3 系统软件设计

脉搏监控系统由基础支持层、算法决策层和人机交互层组成。基础支持层为各部分间通讯协议。算法决策层规划系统的各部分动作，协调数据传输、存储、显示、绘图等过程。人机交互层方便医护人员处理不同情况。系统软件框图如图3所示。

软件设计分为上位机程序和下位机程序两部分。下位机程序采用IAR编程，IAR Systems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商，包括带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境（IDE）。嵌入式IAR Embedded Workbench IDE为嵌入式开发者提供了可以完整嵌入许多工具的框架，目前该平台兼容数量众多的嵌入式产品。组网程序框图如图4所示。

下位机通信由协调器发送控制帧，调度终端发送数据、组网等动作，终端做相应响应。帧格式如表1所示。

帧格式详细说明：SD：帧起始字节，表示新的控制帧开始。ADDR：接收控制帧的终端地址。FC：不同功能代码。DA：传输数据。XOR：校验帧正确与否的代码，有固定计算公式。ED：表示本控制帧结束。

上位机程序由C#环境编写[7]。C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言。C#包括了诸如单一继承、接口、与Java几乎同样的语法和编译成中间代码再运行的过程，直接集成COM（组件对象模型），是由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言，综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，操作能力强大，语法风格优雅，语言特性创新，编写过程便捷[8-9]。

异常定位算法：异常定位算法思路为：未知坐标为（x，y），两个参考路由节点为（x1，y1）、（x2，y2）。路由接收信号强度为p1、p2，与距离数据库对比，得出异常位置与参考路由距离r1、r2，得出两个方程：

图3 系统软件框图

图4 组网程序框图

表1 控制帧格式

联立求解后，取x2+y2较大值即为所求。紧急定位算法框图如图5所示。

图5 紧急定位算法框图

4 实验应用

调理电路仿真实验，采用proteus环境搭建。信号源采用方波代替，逐级放大后输出，得到可调振幅输出波形。图中黄色为输入波形，蓝色为输出波形；输入方波频率为1 Hz，振幅为1 μV，与实际脉搏相近；为了完全显示输出波形，输出每格代表1 V；放大电路共三级反向放大，结果与输入反向[10-11]。实验时间持续约10分钟，无异常，实验成功，如图6所示。

图6 调理电路仿真波形图

通信实验，采用星型网络实验。10个终端分别发送字符串“001”至“010”，无重复信息；上位机串口采集并显示，波特率采用9 600，数据位8位，停止位1位，无校验位；Rx为新数据分隔符；每个终端发送周期为3.5秒，传输距离约4 m，天线与地面角度近90°。每个周期接收数据完整正确，碰撞小，实验成功，实验数据如表3所示。

波形显示实验，为了保证波形完整真实，采用9 600波特率；串口号为ch1；横轴为时间轴，纵轴为电压值，单位为V；屏幕清理周期约为1分钟，后台数据储存量约40分钟。脉搏显示规律、抖动小，本次实验成功，如图7所示。

功率测量实验，当脉搏出现异常时，通过功率得到距离及病房号。波特率为115 200。RECV为数据编号，PER为丢包率，RSSI为接收功率；接收功率单位为dBm，表示毫瓦；由于遮挡、干扰等原因，通常小于1 mW，因此为负值；距离越远信号越弱，RSSI值越小。实验中丢包率在10%以下，RSSI值变化明显，实验成功，实验数据如表4所示。

表3 通信实验接收数据

图7 脉搏波形图

表4 功率测量实验数据

5 结论

文中采用TI生产CC2530模块进行脉搏的无线传输和定位，论述医用脉搏检测的合理化方案。硬件上以下位机设计为主体，软件界面友好、延时短，经过实验证明，达到设计要求。病态脉搏的识别上可进一步研究，采用模式识别对动态脉搏的异常进行判定。

[1]李战胜，万叶丽.基于CC2430的智能心率器的设计[J].电子制作，2015（17）:69-70.

[2]孙长伟，王艳春，黄迎辉，颜红.人体脉搏检测系统设计[J].西南民族大学学报（自然科学版），2015（03）:341-344.

[3]徐连成.基于单片机的脉搏仪心率计 [J].电子技术，2015（8）:35-36-34.

[4]刘威.脉搏信号的采集测试仪[J].科学中国人，2015，（27）: 36.

[5]周堂兴.基于FPGA的脉搏与血氧饱和度监测系统研究[D].上海：东华大学，2015.

[6]王跃俊.基于光电容积脉搏波的呼吸频率监测 [D].北京：北京理工大学，2015.

[7]赵玉红.基于STM32人体脉搏无线监测系统的设计[D].北京：北方工业大学，2015.

[8]王窕丽，孙玉国.基于MEMS传感器的姿态检测系统[J].电子科技，2015（10）：86-89.

[9]倪原，魏娜，王芳.分子印迹压电传感器的爆炸物探测系统设计[J].西安工业大学学报，2013（6）：505-510.

[10]熊鸣，赵秦川.便携式逻辑分析仪的设计与实现[J].电子科技，2014（4）：64-65.

[11]吴飞龙，徐杰，郑小莉，等.光纤传感技术在海底电缆监测中的研究及应用[J].电力信息与通信技术，2016（3）：72-76.

Design and implementation of system for monitoring and locating of pulse signal in the distance

HU Yan-zhu，ZHANG Fu-qi，LI Lei-yuan
（Beijing University of Posts and Telecommunication，Beijing 100876，China）

Based on the purpose of semi-automatic monitoring of pathological pulse and emergency conditions.First of all，the photoelectric sensor is used to measure.Second，the OP07 chips are used to complete the Pre-Processing.Third，the CC2530 chips are made do AD conversion.Forth，the ZigBee protocol is used to transmit signal.Finally，the host computer is displayed.Combined with star wireless transmission experiment，regulate circuit simulation experiment，PC display experiment，power measuring experiment，the conclusion that the accurate visual pulse is got can be drew，which is safe，mobile convenient，reliable，real-time to be extensive on medical conditions.

ZigBee；photoelectric sensing；emergency locating；PC displaying

TN65

A

1674－6236（2016）15-0115-04

2015-10-16 稿件编号：201510099

胡燕祝（1970—），男，北京人，博士，教授。研究方向：智能监控、生产安全、数据挖掘。