基于ZigBee的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

蔣躍文，黃恒發(fā)，何文康，陳業(yè)生（嘉應(yīng)學(xué)院，廣東　梅州　514015）

基于ZigBee的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

蔣躍文，黃恒發(fā)，何文康，陳業(yè)生
（嘉應(yīng)學(xué)院，廣東梅州514015）

提出了一種可穿戴式心電醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計方案，該方案利用ZigBee技術(shù)將若干可穿戴心電檢測終端根據(jù)需求構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)主機完成數(shù)據(jù)匯總、存儲、顯示等一系列信息化管理功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由心電監(jiān)測芯片BMD101、STC微處理器和CC2530無線收發(fā)模塊等構(gòu)成。設(shè)計作品結(jié)果表明，該方案可行，并獲得第十四屆廣東省電子設(shè)計大賽三等獎。

可穿戴；心電監(jiān)測；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；BMD101

0　引言

心電圖檢測監(jiān)護儀是臨床診斷、監(jiān)測心血管疾病的動態(tài)心電圖分析系統(tǒng)的重要組成設(shè)備［1］，在有效地預(yù)防、監(jiān)護心臟疾病中發(fā)揮著越來越重要的作用。但常規(guī)心電監(jiān)護儀需要病患靜臥測量，受時間、醫(yī)療場所等限制，不能適應(yīng)病患發(fā)病的突發(fā)性、間歇性、短暫性等特點。同時常規(guī)監(jiān)護儀存在價格昂貴、體型笨重、不易移動的不足，無法滿足患者長期實時監(jiān)控、記錄并分析的需要。為此，很多新型的便攜式技術(shù)方案［2-3］與無線通信技術(shù)方案被提出［4-9］，但普遍不能滿足可穿戴的要求。相關(guān)信息顯示，到2017年，世界上將會出現(xiàn)6.4億個可穿戴設(shè)備，它們主要用來監(jiān)測人的身心健康。從可穿戴的健康追蹤設(shè)備、放松冥想監(jiān)測設(shè)備、睡眠監(jiān)測設(shè)備、心臟狀況監(jiān)測設(shè)備到智能手表和眼鏡，可穿戴產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展空間。

本文提出一種基于專用心電芯片BMD101的可穿戴心電圖監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，以滿足實時監(jiān)護和數(shù)據(jù)的存儲、處理與報警等數(shù)據(jù)管理信息化新形勢下醫(yī)療護理的需求。

1　心電芯片BMD101

BMD101是美國NeuroSky推出的第三代生物信號檢測和處理的SoC芯片，圖1（a）所示為8腳封裝。1腳為片選控制端，2腳為ECG模擬輸入端正極，3腳為ECG模擬輸入端負極，4、5腳為UART收發(fā)端，6腳為系統(tǒng)復(fù)位端，7、8腳為電源端。該芯片體積小，功耗低且采用干電極傳感器。其與微處理器的接口電路通過圖1（b）所示的UART實現(xiàn)，因此可以很便利地應(yīng)用于可穿戴設(shè)備及便攜式設(shè)備中。

BMD101模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個檢測感應(yīng)器脫落的檢測電路組成，具有極佳的消噪功能?？刹杉瘡摩蘓到mV的生物信號，采樣頻率為512Hz，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用16位精度。結(jié)果經(jīng)過截止頻率為100Hz的低頻濾波器濾波后，通過UART輸出。

圖1　BMD101芯片管腳分布及與微處理器的接口連接

BMD101數(shù)據(jù)包輸出格式則采用ThinkGear Packets類型，如圖2（a）所示［10］：數(shù)據(jù)包的報頭由兩個同步幀和一個告知有效數(shù)據(jù)長度的字節(jié)構(gòu)成；緊接著發(fā)送實際數(shù)據(jù)代碼；最后發(fā)送有效數(shù)據(jù)的校驗和。其中有效數(shù)據(jù)內(nèi)部也按照一定的格式定義來確定所發(fā)送的數(shù)據(jù)性質(zhì)及其具體表征內(nèi)容及含義，如圖2（b）和表1所示。有效數(shù)據(jù)以0或者多個用以指示擴展碼等級的擴展碼（EXCODE）開始，擴展碼等級則用以說明后續(xù)的代碼所屬的數(shù)據(jù)類型。緊接著是數(shù)據(jù)的代碼和數(shù)據(jù)的長度信息，最后發(fā)送代碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)值。

圖2　BMD101數(shù)據(jù)包輸出格式與定義

表1　有效數(shù)據(jù)定義

對心電信號的解釋流程偽代碼如下：

（1）讀取等待同步幀字節(jié)（0xAA）；

（2）讀取下一個字節(jié)并判斷是否為同步幀字節(jié)（0xAA），如果不是回到步驟（1）；

（3）讀取數(shù)據(jù)長度字節(jié)［PLENGTH］；

（4）讀取有效數(shù)據(jù)并進行校驗和運算；

（5）將校驗和累加器低位字節(jié)取反；

（6）對比數(shù)據(jù)的校驗和［CRC］，判定是否一致，不一致則返回步驟（1）；

（7）進入數(shù)據(jù)解釋循環(huán)，直至解釋完成：

①解釋并統(tǒng)計擴展代碼［EXCODE］（0x55）的個數(shù)；

②解釋當前數(shù)據(jù)流代碼［CODE］；

③如果可能，解釋當前數(shù)據(jù)的長度；

④基于前面的擴展碼及長度等信息，解釋和處理數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)信息；

⑤如果數(shù)據(jù)流沒有解釋完畢，回到步驟①繼續(xù)。

簡言之，BMD101的核心是一個功能強大的系統(tǒng)管理單元。它負責整個系統(tǒng)的配置、運行管理、內(nèi)外通信、專有算法計算和電源管理，為可穿戴設(shè)備的應(yīng)用提供了保障。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)頂層設(shè)計

頂層設(shè)計如圖3所示。利用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)將協(xié)調(diào)器與可穿戴心電檢測節(jié)點構(gòu)建成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器經(jīng)COM串口或UART與由服務(wù)器主機連接，借助軟件平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示、回調(diào)與報警等一系列信息化管理功能。

圖3　可穿戴心電圖監(jiān)測系統(tǒng)頂層架構(gòu)圖

2.2心電監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

節(jié)點電路方案如圖4所示。心電監(jiān)測模塊選用神念公司的BMD101專用心電芯片，STC微處理器模塊負責數(shù)據(jù)收集，經(jīng)由ZigBee CC2530無線模塊完成組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；節(jié)點采用鋰電池供電，經(jīng)LM1117電源模塊為微處理器和CC2530提供穩(wěn)定的電源輸出。監(jiān)控平臺由ZigBee CC2530無線模塊、計算機及監(jiān)控軟件組成。

圖4　心電圖無線傳感監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

可穿戴節(jié)點原理圖及實物如圖5所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括STC微處理器系統(tǒng)、CC2530節(jié)點系統(tǒng)、CC2530協(xié)調(diào)器系統(tǒng)和計算機上位機軟件平臺。整個系統(tǒng)上電啟動就緒后，按照以下流程進行：STC微處理器負責接收心電芯片BMD101的心電數(shù)據(jù)并由SPI傳輸至CC2530；CC2530在接收到數(shù)據(jù)后，周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后立即上傳至計算機；計算機接管數(shù)據(jù)并保存以及按照用戶指令執(zhí)行相應(yīng)操作。各子系統(tǒng)的流程圖如圖6、圖7所示。

圖5　可穿戴心電監(jiān)測節(jié)點原理圖及實物

圖6　STC微處理器模塊與可穿戴設(shè)備CC2530模塊程序流程

圖7　監(jiān)控平臺CC2530模塊與計算機監(jiān)控平臺程序流程

4　實驗結(jié)果

圖8為本系統(tǒng)采集的一組心電圖數(shù)據(jù)。通過比較分析可以得知，所測數(shù)據(jù)可以完整地顯示心電圖波形，基本功能已經(jīng)實現(xiàn)。與正常心電圖比較，各個波形的時間和幅度基本在典型值范圍內(nèi)。誤差主要來自電極導(dǎo)線與皮膚之間的接觸干擾。所測數(shù)據(jù)與醫(yī)用動態(tài)心電儀測得數(shù)據(jù)比較，差別在于波形的平滑度，還需后期的濾波算法等技術(shù)處理。

圖8　實測心電圖數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

本系統(tǒng)方案能很好地實現(xiàn)可穿戴心電圖監(jiān)控功能。由于其充分利用了ZigBee無線通信技術(shù)，系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點：（1）可穿戴：延伸了監(jiān)測對象的活動范圍；（2）可實現(xiàn)身份識別：由于每個終端都具有唯一的ID，可與病患身份捆綁；（3）信息管理智能化：該系統(tǒng)可以更加方便有效地將信息的獲取、處理、存儲和交流于一體，實現(xiàn)管理信息化，利用監(jiān)控平臺可以提高應(yīng)急響應(yīng)的速度和效率；（4）網(wǎng)絡(luò)化：通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可將所有的心電傳感節(jié)點根據(jù)需要構(gòu)建相應(yīng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；（5）相對與現(xiàn)有的心電圖測試監(jiān)控儀器設(shè)備，該系統(tǒng)成本低。

此外，由于個人的生理體征都不一樣，其相應(yīng)心電圖信息也不相同，需要一個數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練以及優(yōu)化的過程，以確保數(shù)據(jù)分析與診斷的可靠性和可信度。這是投入應(yīng)用前需要深入進行的工作。

［1］丁慎平，王應(yīng)海，吳衛(wèi)榮，等.便攜式心電監(jiān)護儀設(shè)計進展［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2014，31（3）：708-713.

［2］陳浩，周連雙，余結(jié)全.一種便攜式心臟遠程監(jiān)護終端的設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2010，27（3）：666-670.

［3］韋海旋，楊雪梅.基于ARM的動態(tài)心電圖采集系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2008，24（5）：131-132，229.

［4］呂海洋，張鵬輝，鄧建國，等.超低功耗無線傳感心電信息監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.實驗室研究與探索，2014，33（1）：110-114.

［5］賈延江，李振波，張大偉，等.低功耗無線心電圖檢測系統(tǒng)與QRS復(fù)波檢測算法研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（7）：32-34，38.

［6］方勇軍，趙紅旗，駱星九，等.基于Android平臺的心電數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀表技術(shù)，2014（4）：36-37，42.

［7］張濤.基于ZigBee與Android平臺的無線心電采集系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.保定：河北大學(xué)，2014.

［8］徐勇.基于Android智能手機的動態(tài)心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2013.

［9］張大偉，王?？疲瑥埍?新型三導(dǎo)聯(lián)無線ECG設(shè)計與其處理算法研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（5）：35-37.

［10］Neurosky.BMD101 Product Brief［EB/OL］.［2012-7-31］（2015-02-25）.http://www.neurosky.com.cn/products-markets/ecg-biosensors/hardware/？utm_source=％E7％99％BE％E5％BA％A6CPC＆utm_medium=％E7％99％BE％E5％BA％A6CPC＆utm_term=BMD101＆utm_content=％E5％BF％83％E7％94％B5％E5％93％81％E7％89％8C＆.

MagnaChip將在中國上海首度舉辦晶圓代工技術(shù)研討會

總部位于韓國的類比與混合信號半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計及制造商美格納半導(dǎo)體公司（MagnaChip）（NYSE:MX）近日宣布，將于2015年9月22日在中國上海金茂君悅大酒店初次舉行晶圓代工技術(shù)研討會。此次是首度在中國上海舉辦研討會，也是MagnaChip的全球晶圓代工策略之一，藉以提升MagnaChip在中國市場的晶圓代工品牌知名度。

MagnaChip將在研討會上深入探討其現(xiàn)行及未來的晶圓代工業(yè)務(wù)藍圖、特殊制程、目標產(chǎn)品應(yīng)用及其終端市場。研討會之主要目的是針對該公司在中國無晶圓廠（Fabless）的客戶，滿足其對于高階類比與混合信號特殊晶圓代工技術(shù)日益增加的需求。

在上海研討會期間，韓國最大類比與混合信號晶圓代工服務(wù)供應(yīng)商MagnaChip將強調(diào)其技術(shù)組合，并著重討論混合信號、物聯(lián)網(wǎng)方面的低功率技術(shù)、高性能類比與電源管理應(yīng)用之Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）制程、超高電壓（UHV）及非揮發(fā)性記憶體（NVM）。此外，MagnaChip將展示其技術(shù)之相關(guān)應(yīng)用，包括智慧型手機、平板電腦、汽車、LED照明、消費者穿戴式裝置、物聯(lián)網(wǎng)等等。MagnaChip亦將展現(xiàn)其便利友善的設(shè)計環(huán)境及線上客服工具“iFoundry”。

MagnaChip首席執(zhí)行官YJ Kim表示：“我們很高興在上海舉辦首次的晶圓代工技術(shù)研討會，希望所有與會者都能藉此獲益或觸發(fā)新的想法。除了臺灣與美國外，現(xiàn)在更加入了上海的技術(shù)研討會，我們期盼能通過這些活動，以及長久以來在晶圓代工產(chǎn)業(yè)成功的服務(wù)與專業(yè)技術(shù)，滿足全球客戶的需求?！?/p>

屆時預(yù)計會有眾多無晶圓廠公司、整合元件制造商（IDM）以及其他半導(dǎo)體公司參與MagnaChip的上海技術(shù)研討會。如欲報名參加或取得詳細資訊，請至網(wǎng)站：http://www.magnachip.com/或ifoundry.magnachip.com

（MagnaChipSemiconductor供稿）

A design of wearable ECG monitor based on ZigBee

Jiang Yuewen，Huang Hengfa，He Wenkang，Chen Yesheng
（Jiaying University，Meizhou 514015，China）

A design of a wearable ECG medical monitoring system based on ZigBee was presented.With the design，a wireless sensor networks can be built to meet the needs of healthy care application，such as data collection，storage，display and a series management functions.The sensor nodes were mainly made up of a ECG chip BMD101，STC microchip and CC2530.The results show that the scheme was feasible，and the works succeeded in attending the 14th Guangdong Province Electronics Design Competition and won the third prize.

wearable computing；ECG monitoring；ZigBee；wireless sensor network；BMD101

TP274

A

1674-7720（2015）16-0083-04

蔣躍文，黃恒發(fā)，何文康，等．基于ZigBee的可穿戴心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（16）：83-86.

2015-03-17）

蔣躍文（1974-），通信作者，男，講師，主要研究方向：測量與控制技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，智能算法研究。E-mail：dreamflying09@126.com。

2014年度廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（414B0305）