基于MSP430芯片的胸帶式老人無線健康監(jiān)護(hù)終端的設(shè)計(jì)

秦秀真，汪豐，周平，徐海晶，

東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，南京，210096

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)人口結(jié)構(gòu)的老齡化，預(yù)期到2030年老年人家庭的比例將達(dá)到90%，老年人家庭將空巢化。由于老年人的機(jī)體會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而發(fā)生變化，導(dǎo)致老年人突發(fā)性心臟疾病和意外跌倒的事故會(huì)越來越多。若能對(duì)老年人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件報(bào)警，醫(yī)護(hù)人員實(shí)施及時(shí)搶救，則會(huì)減少老年人意外事故的發(fā)生[1]。

本文設(shè)計(jì)的空巢老年人實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端，采用織物式心電電極和三維加速度傳感器，并支持藍(lán)牙無線通信。當(dāng)監(jiān)護(hù)終端檢測(cè)到老年人發(fā)生心率異?；虻箷r(shí)，則會(huì)通過無線藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，實(shí)施及時(shí)救助，避免意外狀況發(fā)生。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于T I公司的超低功耗1 6 b i t 的MSP430FG4618為核心，采用電子織物電極的心電胸帶，設(shè)計(jì)了老年人監(jiān)護(hù)終端。該終端可以將檢測(cè)出的人體心電信號(hào)傳輸給心電信號(hào)采集單元[2]。在結(jié)構(gòu)上，此終端集成了電源模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊和藍(lán)牙通訊模塊。其結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1和圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the system

圖2 監(jiān)護(hù)終端電路實(shí)物圖Fig.2 Implementation for the monitoring terminal

1.1 信號(hào)采集模塊

在傳感器的選擇上，我們選取電子織物電極獲取心電信號(hào)，這是心電采集的一大特點(diǎn)?？梢岳斓膶?dǎo)電容性織物里的導(dǎo)電銀，具有與萊卡一樣的舒展。這種92%尼龍和8%的多拉斯坦（Dorlastan）織物上鍍了銀，提供了在兩個(gè)方向伸展的獨(dú)特能力，利用這種鍍銀電極和人體之間的容性耦合來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。

三軸加速度傳感器裝置里采用LIS302DL芯片，是意法半導(dǎo)體推出的三軸加速傳感器芯片。LIS302DL小型低功耗是MEMS三軸加速度計(jì)。包括有傳感元件和能通過I2C/SPI串行接口提供測(cè)量加速度的IC接口,量程范圍是-8 g～-2 g；2 g～8 g，具有線性的數(shù)字輸出，數(shù)據(jù)輸出速率為100 Hz或400 Hz。

1.2 處理器單元

系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)終端選擇TI公司的超低功耗16bit單片機(jī)MSP430FG4618作為控制與計(jì)算單元，外設(shè)包含了高性能的12bit的A/D轉(zhuǎn)換器、高速的SPI總線和USART接口等。片內(nèi)總線具有DMA通道，從A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)可以直接送往各總線接口而不需要CPU干預(yù)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件電路，大大降低了系統(tǒng)的成本。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，為了分析老年人的心率失常，需要將傳感器的原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析。但MSP430FG4618的RAM只有8KB，因此我們采用MACRONIX公司生產(chǎn)的型號(hào)MX25L1605DM1I-12G的Flash芯片對(duì)微處理器進(jìn)行RAM擴(kuò)展，單片機(jī)通過內(nèi)部集成的USCIA模塊的SPI模式與Flash芯片通訊[2]。

1.4 無線通訊模塊

無線通訊模塊采用藍(lán)牙模塊IDS-BM4A實(shí)現(xiàn)。MSP430通過內(nèi)部集成的UART接口實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊通訊。利用藍(lán)牙通訊模塊完成與手機(jī)等網(wǎng)關(guān)設(shè)備的信息的交互。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要分為主程序和中斷處理程序兩部分；按功能又可以分為主程序、信號(hào)采集程序、心率檢測(cè)程序、跌倒檢測(cè)程序和通訊程序。整個(gè)軟件利用MSP430FG4618的IAR編譯器，采用分層結(jié)構(gòu)編寫。

2.1 主程序

主程序模塊主要是將各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)交互，完成各種配置寄存器的初始化。當(dāng)監(jiān)護(hù)終端上電或復(fù)位后，主程序完成參數(shù)的初始化功能，開啟中斷，進(jìn)入主循環(huán)。在循環(huán)的過程中，主要完成對(duì)采集的心電信號(hào)數(shù)字濾波、去基線漂移以及心率計(jì)算，若檢測(cè)到心率異常，則進(jìn)行報(bào)警。利用三軸加速度傳感器對(duì)人體活動(dòng)產(chǎn)生的加速度信號(hào)進(jìn)行采集，然后由MSP430的微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用中值濾波器濾除加速度采集裝置采集值的噪聲。若檢測(cè)到跌倒，則啟動(dòng)無線藍(lán)牙報(bào)警。

監(jiān)護(hù)終端的中斷包括心電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和定時(shí)器中斷。定時(shí)器Timer_A控制系統(tǒng)的5s的心電數(shù)據(jù)采集，若5s沒有完成數(shù)據(jù)處理，則強(qiáng)制系統(tǒng)回到循環(huán)起始位置，定時(shí)器A是通過軟件設(shè)置其寄存器完成上述功能，當(dāng)計(jì)時(shí)寄存器計(jì)數(shù)滿時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷控制心電信號(hào)的采集。

2.2 信號(hào)的獲取

A/D轉(zhuǎn)換接口是數(shù)據(jù)采集前向通道中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換部分軟件實(shí)現(xiàn)心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后面進(jìn)一步的分析處理。通過MSP430提供的A/D部分的寄存器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的工作方式，有定時(shí)器A完成采樣頻率的設(shè)定，定時(shí)器A是通過軟件設(shè)置其寄存器完成上述功能。當(dāng)計(jì)時(shí)寄存器計(jì)數(shù)滿時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生中斷，在中斷中，先停止A/D的轉(zhuǎn)換，讀取數(shù)據(jù)后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，然后再等待下一次中斷的到來。

由于加速度信號(hào)獲取采用三軸加速度傳感器LIS302DL，直接提供數(shù)字信號(hào)，我們通過傳感器提供的I2C/SPI串行接口，直接讀取我們所需要的三軸加速度信號(hào)。

2.3 心率和跌倒的檢測(cè)

我們所獲得的心電信號(hào)，首先進(jìn)行平滑濾波，即去除基線漂移、陷波、R波檢測(cè)以及進(jìn)行心率檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到心率失常（過低或者過高）時(shí)，就啟動(dòng)藍(lán)牙無線傳輸發(fā)送給PDA端，以進(jìn)行及時(shí)的救助[1]。

加速度信號(hào)是采用50 Hz采樣加速度計(jì)的信號(hào)得到。由于人體活動(dòng)產(chǎn)生的加速度信號(hào)頻率主要是處在0～20 Hz之間，跟重力加速度分量完全疊加在一起[3]，故我們通過20 Hz的3階低通濾波器濾除與人體活動(dòng)無關(guān)的干擾信號(hào)。然后，利用3個(gè)軸向加速度信號(hào)的大小，采用閾值判別法以及與三個(gè)方向的夾角來進(jìn)行跌倒檢測(cè)。不同跌倒類型的信號(hào)在波形上存在很大的相似度，在跌倒發(fā)生的瞬間都有一段非常大的尖脈沖出現(xiàn)，跌倒動(dòng)作在1 s的時(shí)間內(nèi)完成?；诖耍x擇特征值其中，A、B、C分別為X、Y、Z軸的原始加速度經(jīng)過中值濾波后的值[3,4]。綜合分析測(cè)得的多組數(shù)據(jù)，設(shè)定閾值為e=0.831，當(dāng)e＜0.831時(shí)，初步判定有可能發(fā)生跌倒。但是，此閾值的觸發(fā)也有可能是突然站起或者轉(zhuǎn)身等動(dòng)作引起的，應(yīng)對(duì)選取閾值觸發(fā)后的10 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步觀察，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化大小，進(jìn)一步判斷是否發(fā)生跌倒[5-6]。

2.4 無線藍(lán)牙通訊

監(jiān)護(hù)終端的藍(lán)牙通訊功能采用藍(lán)牙模塊IDSBM4A。單片機(jī)通過內(nèi)部集成的UART接口與藍(lán)牙模塊通訊，監(jiān)護(hù)終端以中斷方式將心率或跌倒的報(bào)警信號(hào)經(jīng)藍(lán)牙無線傳輸?shù)絇DA端。

通過軟件設(shè)置MSP430內(nèi)部的特殊功能寄存器U1CTL |= CHAR，配置為不校驗(yàn)，8bit數(shù)據(jù)傳送，U1RCTL默認(rèn)設(shè)置，所有接收到的信息都是為數(shù)據(jù)。設(shè)置UART的工作模式，采取中斷方式向PDA端發(fā)送報(bào)警信息。

3 結(jié)果

本設(shè)計(jì)完成心率的檢測(cè)，提供異常心率和跌倒報(bào)警，為遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)空巢老年人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到發(fā)生突發(fā)性事件時(shí)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，醫(yī)護(hù)人員實(shí)施及時(shí)的搶救，則會(huì)減少老年人意外事故的發(fā)生。心率的檢測(cè)是基于織物式電極，避免了傳感器與人體的直接接觸。當(dāng)檢測(cè)到跌倒或者心率異常時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)無線藍(lán)牙通訊，向遠(yuǎn)程PDA端發(fā)出報(bào)警，有效處理老人意外跌倒或心臟病突發(fā)等緊急情況。

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