基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人體健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李根

摘 要：多樣奢華的生活方式和特色的飲食結(jié)構(gòu)，使人們的健康狀況不容樂觀，高血壓、冠心病等疾病演變成為當(dāng)今常見病與多發(fā)病。而脈搏信息一直都是反映人們?nèi)粘；顒?dòng)中最靈敏和最可靠的重要信息來源，是作為健康監(jiān)測(cè)的重要窗口，通過脈搏信號(hào)快速發(fā)現(xiàn)病因也是一個(gè)有效的方法。該課題提出了以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，結(jié)合智能終端設(shè)備，對(duì)人體脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式，使人們進(jìn)一步了解自身健康狀況。

關(guān)鍵詞：健康監(jiān)測(cè) 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP29；TN87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（b）-0012-02

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，生物醫(yī)學(xué)健康評(píng)估成為了醫(yī)學(xué)界和信息工程技術(shù)界重點(diǎn)關(guān)注的新興學(xué)科。隨著近現(xiàn)代傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，利用傳感器對(duì)脈搏信息進(jìn)行定量分析，逐漸成為了解決臨床醫(yī)學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究的重要手段和重要依據(jù)，更是在人類健康領(lǐng)域中普遍關(guān)注的課題之一。

脈搏作為心血管健康系統(tǒng)的重要組成部分，是人體健康狀態(tài)的重要體現(xiàn)，作為人體日常生活中輸送營養(yǎng)成分和表達(dá)各種生理病理特征的重要傳播途徑[1]?，F(xiàn)代智能計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展為醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域打下了良好基礎(chǔ)，也成為脈搏信息研究和發(fā)展的必然。而單片微型計(jì)算機(jī)集靈敏的反映、快速的計(jì)算和復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理能力于一體等優(yōu)勢(shì)，使其對(duì)脈搏的處理更加準(zhǔn)確和有效。

該文采用單片嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)代無線通訊技術(shù)，并結(jié)合PC及移動(dòng)智能終端設(shè)備，提出了處理脈搏信號(hào)的新方案。監(jiān)測(cè)方案主要由嵌入式傳感系統(tǒng)與無線通訊模塊組成，具有傳遞速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。傳感器對(duì)有效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并通過無線技術(shù)及時(shí)地將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)和智能手持設(shè)備，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反映被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況。

1 系統(tǒng)方案及技術(shù)論證

1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其主控制器采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F149單片機(jī)，它是一款采用16位精簡指令系統(tǒng)，是一款真正具有16位總線帶Flash的單片機(jī)，外設(shè)和內(nèi)存進(jìn)行統(tǒng)一編址，尋址范圍多達(dá)64 k，片上外圍模塊及其豐富，片內(nèi)還集成有精密的硬件乘法器，可以直接在結(jié)果寄存器中讀取計(jì)算數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了CPU的軟件資源；有一個(gè)14路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，滿足系統(tǒng)中脈搏心率傳感器信號(hào)采集的需要；集成兩路UART通信端口，可以同時(shí)和上位機(jī)模塊與無線通訊模塊之間進(jìn)行通信。內(nèi)部有硬件SPI同步串行總線接口，使得和語音模塊之間的通信可以大大降低MCU功耗，可以在14 mA左右電流下正常工作，因此它是一款具有超低功耗的單片機(jī)，作為可穿戴設(shè)備的首選，更適合用電池長時(shí)間供電的工作場(chǎng)所。

因脈搏信號(hào)具有信號(hào)強(qiáng)度弱、易于受干擾、信號(hào)頻率低、且具有一定的系統(tǒng)變異性。因此脈搏傳感器的選擇在整個(gè)系統(tǒng)中變得尤為重要，也成為系統(tǒng)穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)。PulseSensor是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電模擬傳感器。較之傳統(tǒng)的脈搏心率測(cè)量傳感器，有著體積小、便于隨身攜帶和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可將其佩戴在耳垂或指尖等地方，這樣既易于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)又不影響日常生活，其原理是根據(jù)血管搏動(dòng)時(shí)所反映出的不同透光率來達(dá)到脈搏測(cè)量。傳感器的敏感元件主要由光電變換器組成，光電變換器可透過人體周圍毛細(xì)血管，當(dāng)毛細(xì)血管相對(duì)充血容積隨著心臟的搏動(dòng)而周期性變化時(shí)，傳感器的透光率也隨之發(fā)生變化，再將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行放大和輸出，將最終的模擬電壓信號(hào)傳輸給單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析及處理。

語音模塊的選擇上遵循簡單易于控制的原則，SYN6658語音芯片同時(shí)支持UART和SPI兩種通訊方式，可通過UART接口或SPI接口接收單片機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度為4 k字節(jié)。因系統(tǒng)所選用的單片機(jī)只有兩個(gè)UART接口，分別作為上位機(jī)監(jiān)測(cè)和無線通訊模塊使用，因此最終選用SPI同步串行通訊方式，單片機(jī)作為通訊中的主機(jī)身份對(duì)SYN6658芯片進(jìn)行訪問，通訊中所需的同步時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)來提供。SYN6658同時(shí)支持多種內(nèi)碼格式的文本，有著自然、清晰、準(zhǔn)確的中文語音合成效果和智能的文本分析處理算法，還具備很強(qiáng)的多音字識(shí)別處理能力，支持多種文本控制標(biāo)記，芯片還具有休眠功能，支持三種通訊波特率、16級(jí)音量調(diào)整、還有多種方式可以查詢芯片的工作狀態(tài)，可通過發(fā)送控制標(biāo)記調(diào)節(jié)詞語語速，占用體積小，可滿足室外不同環(huán)境下使用[2]。

為了便于信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸和即時(shí)通訊，無線模塊選擇基于UART的藍(lán)牙串口通訊模塊，該模塊可以與各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、平板等智能終端配對(duì)，支持從4 800 bps～1 382 400 bps間的標(biāo)準(zhǔn)波特率，通訊接口兼容5 V或3.3 V單片機(jī)系統(tǒng)，在空曠地有效距離可達(dá)10 m，具有命令實(shí)時(shí)響應(yīng)，可與設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連接，模塊進(jìn)行自動(dòng)連接時(shí)，可根據(jù)事先設(shè)定的方式具備主機(jī)、從機(jī)和回環(huán)三種工作角色。握手成功后可當(dāng)全雙工的異步串口使用，通信格式支持?jǐn)?shù)據(jù)位8位、停止位1位、還可根據(jù)用戶需要設(shè)置奇偶校驗(yàn)位。用戶還可以將模塊設(shè)置為響應(yīng)工作模式，并對(duì)模塊進(jìn)行各種AT指令的設(shè)置，通過設(shè)定相關(guān)控制參數(shù)和控制命令進(jìn)行具體設(shè)定。通過有效控制模塊外部引腳的輸入電平，完成模塊工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)中上位機(jī)的監(jiān)測(cè)通過VB界面來得以實(shí)現(xiàn)，并作為后臺(tái)管理及顯示部分，它也是整個(gè)系統(tǒng)在調(diào)試過程中不可缺少的一部分。在VB界面中添加了一些必要的通訊控件，可以方便的對(duì)串行通訊中事件及狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

如圖2所示的監(jiān)測(cè)界面中主要增加了電話模樣的MSComm通訊控件和鐘表摸樣的定時(shí)設(shè)置控件，MSComm通訊控件可以方便的對(duì)串行通訊必要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括其當(dāng)前通信狀態(tài)，通信格式和具體的通信協(xié)議等。當(dāng)遇到數(shù)據(jù)有效通信時(shí)就會(huì)觸發(fā)OnComm事件，通過程序設(shè)置CommEvent的具體屬性，可有效地了解通信事件的類型，從而及時(shí)做出處理。定時(shí)設(shè)置控件則可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確時(shí)間量的分析[3]。

1.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自檢，預(yù)先完成單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器、ADC、串口通信的初始化工作，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到脈搏心率傳感器的模擬電壓信號(hào)后，經(jīng)由內(nèi)部進(jìn)行多次AD抽樣校準(zhǔn)計(jì)算，再將計(jì)算的結(jié)果與當(dāng)前脈搏值進(jìn)行比較，通過UART與上位機(jī)通信，在上位機(jī)上對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)進(jìn)行在線調(diào)試，修正單片機(jī)代碼，減少不必要的誤差，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，系統(tǒng)的語音模塊及藍(lán)牙模塊默認(rèn)保持休眠狀態(tài)，人們可以自主的選擇是否進(jìn)行語音播報(bào)和進(jìn)行藍(lán)牙通訊服務(wù)，當(dāng)語音播報(bào)功能打開時(shí)，可將當(dāng)前脈搏參數(shù)通過語音播報(bào)的形式及時(shí)告知使用者，也可以按照需要設(shè)置藍(lán)牙握手通訊習(xí)慣，將使用者的脈搏情況傳送給智能終端或具有藍(lán)牙功能的其他設(shè)備，使被監(jiān)護(hù)人能夠及時(shí)準(zhǔn)確的了解自身的健康狀態(tài)，達(dá)到及時(shí)預(yù)防的目的。

2 系統(tǒng)抗干擾措施及分析

在整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信中，外界對(duì)系統(tǒng)的干擾具有很大的隨機(jī)性和不可預(yù)見性，給系統(tǒng)調(diào)試方面帶來很多困擾，因此，必要的抗干擾措施直接反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)用性能。為了使得系統(tǒng)的干擾降到最低，在設(shè)計(jì)中分別從硬件和軟件兩方面展開研究。

來自硬件方面的干擾主要由空間電磁干擾、過程通道干擾和供電系統(tǒng)干擾3部分組成，空間電磁干擾可以通過PCB正確接地并進(jìn)行良好地屏蔽以及合理布局布線進(jìn)行有效解決；過程通道干擾則采用光電耦合隔離技術(shù)將模擬地和數(shù)字地分開，減少了公共信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的耦合作用，有效解決了系統(tǒng)主要存在的阻抗匹配問題；供電系統(tǒng)干擾主要通過穩(wěn)壓、隔離、濾波等措施加以解決，通過比較論證，最終使得硬件電路的穩(wěn)定性得到大大提高。

隨著科技的不斷進(jìn)步及軟件算法的不斷完善，來自軟件的抗干擾措施已愈來愈引起社會(huì)的重視，該系統(tǒng)中主要通過數(shù)字濾波、設(shè)置自檢程序、設(shè)置軟件陷阱、利用復(fù)位指令等方法減少外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾，它與傳統(tǒng)抗干擾措施相比可以在不增加任何硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于軟件抗干擾措施可以隨時(shí)改變系統(tǒng)算法或改變參數(shù)，使系統(tǒng)的維護(hù)變得更加靈活方便。但是軟件抗干擾措施不能使所有干擾得以控制，不可能完全取代硬件抗干擾措施，因此在設(shè)計(jì)方面根據(jù)實(shí)際情況權(quán)衡利弊，選擇使用最恰當(dāng)?shù)能洝⒂布垢蓴_措施。

3 結(jié)語

隨著我國社會(huì)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，健康問題已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)倍受關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一。該設(shè)計(jì)通過前期大量的市場(chǎng)調(diào)查和理論分析，最終完成了基于TI公司的MSP430F149為核心的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)。結(jié)合相關(guān)的傳感器，利用智能終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使系統(tǒng)的操作更人性化，加上便于隨身攜帶的優(yōu)點(diǎn)，滿足了人們對(duì)日常生活的需要，在人與疾病斗爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)上備受關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

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