基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸脈搏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計①

孫迎春， 徐建東， 劉文科

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

人體脈搏跳動的頻率與強(qiáng)弱是生命特征的重要體現(xiàn)信號，同時也是人體健康狀況的重要信息體現(xiàn)［1］.診脈對我國中醫(yī)診斷具有重要地位.因此，有許多學(xué)者對脈搏信號的各種表現(xiàn)形式進(jìn)行了大量的分析與研究.傳統(tǒng)的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)是采用有線方式進(jìn)行通信，但這種方式缺點較明顯［2］:首先，在信號監(jiān)測過程中，將傳感設(shè)備安裝在被監(jiān)護(hù)者身體上，監(jiān)護(hù)者活動不方便，不能靈活自由地移動;其次，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)在通信方式設(shè)計上不具有擴(kuò)展性，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)的使用者在數(shù)量上很有限，而且容易造成電路復(fù)雜混亂，可操作性差.

本文介紹的脈搏監(jiān)測系統(tǒng)是將采集的移動人體的無線終端的脈搏數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，最后將監(jiān)測結(jié)果實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中.該采集系統(tǒng)具有移動性，不受時間和地點的限制，給患者的活動帶來許多便利;同時，醫(yī)護(hù)人員可以方便實時觀察到人體活動時的脈搏信號.系統(tǒng)體積小、成本低、易操作、效果好.

1 實現(xiàn)原理

血液屬于高度不透明液體，其中含有許多血紅細(xì)胞，它們具有很強(qiáng)的吸收紅外線的功能［3］.人體動脈血管隨心臟進(jìn)行周期性地收縮和舒張，當(dāng)動脈血管的血液容積隨之變化時，動脈血管附近的人體組織對于紅外光的透射性也隨之變化.此現(xiàn)象在人體組織較薄的部位最為明顯，本文信號采集選取手指部位，使信號更加容易采集［4］.

脈搏信號采用紅外傳感器來計數(shù)測量信號，并將紅外信號轉(zhuǎn)換成電信號，再進(jìn)行放大、濾波等一系列處理，最后將由AVR單片機(jī)的A/D功能轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并通過ZigBee進(jìn)行傳輸，從而完成脈搏信號的采集和傳輸，最后在上位機(jī)進(jìn)行顯示.紅外光對管作為紅外線脈搏檢測元件，ATMEGA8單片機(jī)芯片為核心構(gòu)成信號處理模塊，ZigBee作為無線傳輸技術(shù).

2 路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電路

人體脈搏信號監(jiān)測系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示.首先，通過脈搏傳感器硬件裝置利用人體脈搏跳動的變化，采集到脈搏的模擬信號，然后對采集到的脈搏信號進(jìn)行前置放大，把微弱的脈搏模擬信號進(jìn)行初次放大，然后把信號經(jīng)過低通濾波濾除脈搏信號中的高頻噪聲，再經(jīng)過二次放大電路調(diào)整模擬信號的幅值，最后通過A/D轉(zhuǎn)換電路，最終將微弱的脈搏模擬信號轉(zhuǎn)換為高低電平的信號輸出，再利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無線傳輸，最后將數(shù)據(jù)存儲到上位機(jī)，供醫(yī)護(hù)人員檢索和回放.

2.2 前置放大電路

LM324集成運算放大器具可變的增益輸出性質(zhì)，而且輸入阻抗高、模抑制比高、、差動輸入等特點，可以較好地實現(xiàn)對微弱的電壓信號進(jìn)行放大［5］，所以選用LM324作為前置放大器.由于對該信號進(jìn)行放大時需要二次放大，為了避免波形失真，前置放大為100倍.

圖1 系統(tǒng)框圖

2.3 濾波和主放大電路

采集到的電信號經(jīng)過前置放大之后，會產(chǎn)生高頻干擾，由于脈搏波為低頻信號［6］，所以本系統(tǒng)采用RC低通濾波器進(jìn)行濾波.由于脈搏信號的頻率低于10Hz，RC濾波器的截止頻率為，所以設(shè)計R為100Ω，C為200uF，截止頻率為8Hz，該電路設(shè)計針對濾波技術(shù)比較容易實現(xiàn)而且成本較低.由于原始電信號經(jīng)過低通濾波器的處理后，電信號變得比較微弱，信號幅值比較小，不利于我們觀察和分析，因此該信號必須通過較好的放大器進(jìn)行放大.我們選用可調(diào)的反向比例放大器，電信號經(jīng)過放大10倍之后，信號的峰值能夠達(dá)到1V左右，這樣的信號幅值就有利于醫(yī)護(hù)工作者觀察和分析.

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進(jìn)行計數(shù)和處理，并將數(shù)據(jù)通過通信接口發(fā)送到ZigBee無線模塊.采用ATMEGA8芯片為核心設(shè)計，其具有在相同的系統(tǒng)時鐘下AVR單片機(jī)運行速度最快;芯片內(nèi)部的Flsah、EEPROM、SRAM容量較大;集成A/D模數(shù)器;通信接口多;豐富的中斷源等優(yōu)點.因此該電路具有高可靠性、高速度、低功耗的性能.

2.5 ZigBee無線傳輸

針對病患人群，需要選用對人體低輻射，人員移動方便的無線組網(wǎng)傳輸，采用ZigBee作為傳輸模塊.選用新一代真正的片上系統(tǒng)CC2530芯片，該芯片是充分利用工業(yè)通信的2.4GHz的免費頻段，其通信標(biāo)準(zhǔn)符合 IEEE802.15.4要求，因此該設(shè)計保證了短距離通信的有效性和可靠性.基于CC2530芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備通信速率高達(dá)250kbit/s，不但可以實現(xiàn)單點對多點，同時也可以實現(xiàn)多點對多點的快速、優(yōu)化組網(wǎng).CC2530芯片提供的外圍接口硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)幀格式，經(jīng)過軟件算法處理后的數(shù)字信號利用CC2530自身攜帶的Zig-Bee無線通信模塊，可以快速實現(xiàn)脈搏信號的無線傳輸.通信系統(tǒng)具有操作簡單、網(wǎng)絡(luò)容量大、實時、安全可靠等特點.每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點進(jìn)行無線連接.在整個無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，ZigBee傳輸模塊之間都可以實現(xiàn)互相通信，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m擴(kuò)展至幾百米.系統(tǒng)具有良好的移動性，廣泛適用于醫(yī)院移動監(jiān)測、健康運動監(jiān)測、家庭健康監(jiān)測等諸多領(lǐng)域.

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分主要包括:AVR單片機(jī)的初始化、脈搏信號的采集分析處理、信號的無線傳輸三部分.AVR單片機(jī)的初始化是為主功能和子功能各模塊的正常工作做好準(zhǔn)備.首先上電，然后設(shè)置各種工作模式，設(shè)置波特率、工作時鐘、全局變量的初始化，啟動相應(yīng)程序.脈搏信號的采集是利用紅外脈搏傳感器在手指部位采集信號.信號的采集分析處理包括了信號的濾波、按鍵中斷程序以及信號A/D轉(zhuǎn)換等.其作用是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號發(fā)送給ZigBee模塊.信號的無線傳輸是整個系統(tǒng)的核心部分，其作用是數(shù)字信號在ZigBee各個模塊中互相通信，構(gòu)成一個無線通信網(wǎng)，最終通過串口將信號準(zhǔn)確可靠地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并在上位機(jī)實時顯示信號波形.為確保信號傳輸安全可靠，設(shè)計整個系統(tǒng)程序流程如圖2所示.

程序首先進(jìn)行上電，然后進(jìn)行各個變量初始化，信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號發(fā)送到ZigBee模塊，最后將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行實時顯示.整個程序結(jié)構(gòu)清晰嚴(yán)謹(jǐn)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的工作.

4 結(jié)論

通過脈搏信號采集及傳輸實驗，該設(shè)計能完成脈搏波形的采集，而且系統(tǒng)功耗較低，可靠性好，可以長時間準(zhǔn)確采集人體一段時間內(nèi)的脈搏信號，并利用ZigBee無線技術(shù)傳輸給上位機(jī)，通過軟件分析可以實時計算出脈搏頻率.該系統(tǒng)設(shè)計針對脈搏的變化率具有較高靈敏性，而且系統(tǒng)中硬件設(shè)備成本低，無線傳輸模塊功耗低，操作方便，易使用等優(yōu)點.

通過軟件界面的脈搏波形圖，能夠清晰的計算出人體的脈搏頻率，且系統(tǒng)對脈搏頻率測量的誤差范圍在±5%之內(nèi)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).ZigBee無線實現(xiàn)了對人體的長時間不間斷監(jiān)測.本設(shè)計的優(yōu)點是把ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用到有線的脈搏波形監(jiān)測系統(tǒng)中，利用無線通信取代傳統(tǒng)有線傳輸，患者使用起來比較方便，而且醫(yī)療單位在管理方面效率也大大提高;同時，該系統(tǒng)還可以在原來的平臺上，將血壓、心電、呼吸等人體生命體征的一些信號，通過檢測模塊集成到該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，為遠(yuǎn)程醫(yī)療以及家庭監(jiān)護(hù)等奠定基礎(chǔ)條件.醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程通過計算機(jī)界面觀察患者脈搏波形的變化情況，來準(zhǔn)確判斷該患者心血管系統(tǒng)的健康狀況.

［1］朱翔宇，韓紅遠(yuǎn).LCD液晶數(shù)字顯示紅外脈搏表［J］.太原科技，2006，12:79－80.

［2］崔波，高博，龔敏.基于紅外反射光容積脈搏波的血管阻力研究［J］.光散射學(xué)報，2011，(4):45－48.

［3］何偉城，陳進(jìn)軍.基于紅外方式的嵌入式人體心率檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代計算機(jī)，2011，(5):98－103.

［4］乜國荃，方祖祥.人體脈搏的測量與分析［J］.上海生物醫(yī)學(xué)工程，2006，02:34 －35.

［5］景斌，李海云.基于紅外序列圖像的心率無損檢測方法研究［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2010，6:87 －90.

［6］鄭萬挺，陳付毅.光電脈搏血氧心率儀電路設(shè)計［J］.電子器件，2010，6:67 －70.