基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

鄭春春，鮑丙豪，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

鄭春春，鮑丙豪，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為解決常規(guī)心電圖檢測具有不利于病人活動的局限性和實時性差等問題。設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。對體表提取的心電信號進(jìn)行硬件電路預(yù)處理后，利用CC2530對心電信號進(jìn)行無線傳輸，并由協(xié)調(diào)器通過串口傳輸給上位機，利用LabVIEW軟件對心電信號進(jìn)行波形顯示、濾波等處理，從而完成心電信號的實時監(jiān)測。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可長時間實時地對心臟病患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)，且不限制病人日?；顒?，能夠真實的顯示出心電的相關(guān)信息。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；心電信號；ZigBee；濾波；LabVIEW

據(jù)統(tǒng)計，我國心臟病[1]患者的死亡率位列全球第3[2]。目前，醫(yī)院常規(guī)使用的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)多采用固定系統(tǒng)，即將心電電極采集到的人體心電信號通過線纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。這種方式不僅資源浪費大，不便于攜帶還限制了病人和醫(yī)護(hù)人員的活動。因此，研制一種能夠連續(xù)監(jiān)測患者心電數(shù)據(jù),同時又能使患者擁有更多移動空間的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是必要的。

本文設(shè)計的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可實現(xiàn)24小時實時監(jiān)護(hù)多個心臟病患者，從而可高效護(hù)理心臟病患者同時減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

系統(tǒng)主要包括3部分：(1)心電傳感器節(jié)點；(2)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；(3)基于LabVIEW的上位機顯示及處理系統(tǒng)。具體內(nèi)容為：利用心電采集電極采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)方式提取出原始心電信號，經(jīng)過硬件電路處理后，由CC2530模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并發(fā)送信號，中繼路由節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與PC機通信，運用開發(fā)的LabVIEW系統(tǒng)進(jìn)一步對心電信號進(jìn)行軟件濾波，進(jìn)行心電信號波形顯示等處理。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

心電傳感器節(jié)點包括心電采集及處理模塊與ZigBee無線收發(fā)模塊，ZigBee無線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片。心電采集與處理模塊主要對原始心電信號進(jìn)行兩級放大和濾波等，如圖2所示。為使其便攜，制作了PCB板。

圖2 傳感器節(jié)點硬件處理電路

(1)第一級放大及右腿驅(qū)動電路。正常心電信號大小約為1～5 mV，頻率在0.05～100 Hz內(nèi)，屬于低頻微弱信號[3]。采用兩級放大電路對其放大，其中第一級采用AD620將其放大約8倍，第一級放大電路對信號只是初步的放大，以防電路產(chǎn)生自激。檢測到的心電信號中往往含有較強的背景噪聲[4]。因此設(shè)計了右腿驅(qū)動電路以來降低共模干擾[5]。從前級放大電路中兩個相等的偏置電阻中取出人體共模干擾，分別經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行隔離以及反相器放大后與右腿連接，采用對消法濾除干擾；

(2)心電信號濾波電路。心電信號的提取過程中易受到多種干擾，如基線漂移、肌電干擾、電磁干擾等[6]。為了準(zhǔn)確地提取出心電信號，在傳感器節(jié)點的硬件電路中設(shè)計了處理相應(yīng)噪聲的電路來進(jìn)行硬件濾波。

人體動作、呼吸以及電極與體表接觸不良等造成ECG信號偏離原基線水平而發(fā)生漂移，其頻率一般<0.05 Hz[7]。因此，設(shè)計了一個截止頻率為0.05 Hz的壓控電壓源二階高通濾波器濾除0.05 Hz以下的干擾信號。電路的性能參數(shù)見式(1)～式(3)。

通帶增益

(1)

品質(zhì)因數(shù)

(2)

截止頻率

(3)

其中,C1=C6+C7,C2=C8+C9,如圖3所示。

檢測心電信號時，由導(dǎo)線竄入到檢測心電信號系統(tǒng)中的工頻干擾也一并被放大[8]。因此設(shè)計一個截止頻率為50 Hz的陷波器濾除工頻信號。具體設(shè)計的電路如圖4所示。

人體受到的肌電干擾等可達(dá)300 Hz，因此設(shè)計一個截止頻率為100 Hz的壓控電壓源型二階低通濾波器來濾除心電信號中頻率在100 Hz以上的干擾信號。通過以上濾波處理，可濾除心電信號中的大部分干擾。

圖3 壓控電壓源高通濾波器

圖4 陷波器

(3)二級放大與電平抬升電路。CC2530的A/D轉(zhuǎn)換的輸入幅度要求為0～3.3 V，因此整個電路的放大倍數(shù)約在800倍。前級AD620放大電路放大倍數(shù)為8倍，因而第二級放大電路放大約100倍。經(jīng)前幾級處理得到的心電信號仍為交流信號，故采用同相加法器設(shè)計電平抬升電路將交流信號抬升1.5 V，以得到直流信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為IAR開發(fā)平臺，協(xié)議棧采用TI公司的Zstack[9-10]，以此協(xié)議棧作為模板，進(jìn)行LED、按鍵以及LCD等硬件資源的移植[11]，進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。整個程序都是在OSAL操作系統(tǒng)上運行的[12]。

3.1 傳感器節(jié)點及路由器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點的CC2530的P0.6設(shè)置為心電信號的輸入口，P0口配置成ADC輸入。選擇DMA通道6作為數(shù)據(jù)傳輸通道，參考電壓選擇AVDD_SoC，分辨率選擇12 bit，采樣率設(shè)為500 Hz。傳感器節(jié)點的應(yīng)用程序調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包[13]。此外，該節(jié)點還設(shè)置了LED燈用于顯示組網(wǎng)信息、節(jié)點類型，路由節(jié)點與其使用相同的程序代碼。節(jié)點的ADC轉(zhuǎn)換程序如下：

HalAdcSetReference(HAL_ADC_REF_AVDD);

//選擇A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓

adc=HalAdcRead(HAL_ADC_CHN_AIN6, HAL_ADC_RESOLUTION_12);//選擇通道6

vol = (float)(adc/(float)2048)*3.3;

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，分配地址、更新節(jié)點數(shù)據(jù)等[14]。通過串口與PC機之間的通信，程序中串口先初始化，比如設(shè)置波特率等，然后注冊串口任務(wù)。此外系統(tǒng)設(shè)計了LCD，用于顯示節(jié)點的組網(wǎng)信息等。協(xié)調(diào)器的串口程序如下：

HalUARTWrite(0,pkt->cmd.Data,pkt->cmd.DataLength); //串口輸出接收到的數(shù)據(jù)

HalUARTWrite(0, " ", 1); // 回車換行

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，主要包括：串口通信模塊、基線漂移和工頻干擾濾除模塊、QRS波群檢測模塊和心率計算模塊等。串口通信波特率設(shè)置為115 200。設(shè)計5階的巴特沃斯帶阻濾波器濾除50 Hz的工頻干擾；使用LabVIEW ASPT工具箱中的Wavelet Denoise Express VI濾除寬帶噪聲[15]，并使用WA Detrend VI消除基線漂移，檢測Q、R和S點使用WA Multiscale Peak Detection VI。

4 實驗結(jié)果

本文搭建的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)如圖5(a)所示，協(xié)調(diào)器LCD顯示界面如圖5(b)所示。上位機處理結(jié)果如圖6所示，圖6(a)是上位機接收到的原始心電信號波形；圖6(b)是其信號頻譜圖，可見信號中仍含有50 Hz的工頻干擾，圖6(c)是濾除工頻干擾后的信號；圖6(d)是使用小波濾除寬帶噪聲后的心電信號，可見寬帶噪聲被大幅抑制而心電信號的主要細(xì)節(jié)保持不變；圖6(e)是小波濾除基線漂移之后的信號，可見處理后的心電信號幾乎不含有基線漂移；圖6(f)是軟件濾波之后的頻譜。由實驗結(jié)果可知，通過軟件濾波，大幅抑制了工頻干擾、寬帶噪聲和基線漂移，較好的顯示出了心電波形。

圖5 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及LCD顯示

圖6 上位機處理結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)介紹了心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的檢測原理、信號處理設(shè)計、無線傳輸設(shè)計以及上位機系統(tǒng)設(shè)計。其具有低功耗、實時性、便攜性、可擴展性，可長時間有效的監(jiān)護(hù)患者的心電信號。通過實驗結(jié)果可知，由體表提取的心電信號可通過ZigBee無線傳輸，在上位機實時顯示和處理，軟件顯示的各種數(shù)據(jù)信息與實際值基本相符，系統(tǒng)各項參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求。

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An ECG Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

ZHENG Chunchun，BAO Binghao，CAO Yihan

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In view of the problems of the conventional electrocardiogram detection limitations and poor real-time performance, a ECG monitoring system based on ZigBee wireless sensor network is proposed. Through the hardware circuit preprocessing for the ECG signal which is extracted from the body surface, ECG signal is transmitted based on CC2530, coordinator collects data and transmits to the host computer. Then LabVIEW software is used for ECG signal waveform display, filtering and heart rate calculation and other processing. This monitor system can monitor the patient for a long time in real time , do not limit the patient’s daily activities and display the ECG information truely.

wireless sensor networks; ECG signal; ZigBee; wave filtering; LabVIEW

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.012

2016- 03- 04

江蘇大學(xué)工業(yè)中心大學(xué)生創(chuàng)新實踐基金資助項目(ZXCXJJ201438)

鄭春春(1989-)，女，碩士研究生。研究方向：傳感器設(shè)計及信號處理。鮑丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型傳感器，智能儀器儀表等。

TN926；TP393

A

1007-7820(2016)12-041-04