基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)設計

饒珂萌

(3201醫(yī)院 感染性疾病科,陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著醫(yī)學技術的發(fā)展，人體生理參數(shù)變化已經(jīng)成為醫(yī)護人員對病人治療的主要依據(jù)。在今年受疫情影響，全國醫(yī)護人員的工作量倍增，醫(yī)護人員需要同時對多個病人生理參數(shù)進行實時監(jiān)測和統(tǒng)計。傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護設備需要醫(yī)護人員實時觀察和記錄，在今年這種疫情突發(fā)和病人激增的條件下，這種人工監(jiān)測方法不但工作效率低下，而且不能有效地保護醫(yī)護人員安全[1-4]。這種傳統(tǒng)的醫(yī)護監(jiān)測裝置已不能滿足醫(yī)護人員同時對多個病人生理參數(shù)實時監(jiān)測的要求，本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)利用LabVIEW平臺開發(fā)了上位機，通過Zigbee組網(wǎng)以及GPRS協(xié)調實現(xiàn)下位機的無線傳輸，醫(yī)護人員可以通過上位機或者移動終端實時觀察病人的生理參數(shù)變化，可以滿足醫(yī)護人員的應用要求。下位機是由脈搏傳感器和STM32控制器組成，可實現(xiàn)低功耗、長時間對病人生理參數(shù)踐行采集。同時可以設置不同監(jiān)測點對不同病人同時監(jiān)測，監(jiān)測到的人體生理參數(shù)可以在中央護理系統(tǒng)實時顯示。通過對一個節(jié)點進行數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)滿足設計要求。該系統(tǒng)精度較高，可以為醫(yī)院進行推廣。

1 系統(tǒng)的硬件設計

整個系統(tǒng)由多個采集終端、Zigbee無線通信和協(xié)調器、GPRS網(wǎng)絡接入以及上位機等組成。通過控制器STM32驅動采集節(jié)點傳感器對不同病人生理信息進行采集并在采集終端顯示，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調器Zigbee將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯總節(jié)點，匯總節(jié)點將數(shù)據(jù)進行分析、打包以及存儲再通過GPRS模塊上傳至上位機或者云平臺進行顯示分析。整體系統(tǒng)的硬件設計如圖1所示。

圖1 整機硬件結構圖

1.1 心電采集模塊設計

心電采集模塊采用自帶脈搏傳感器的光學傳感器構成，心電采集模塊電路設計使用產(chǎn)生模擬信號的心電傳感器采集人體的心電信息，模擬信號經(jīng)濾波后，進行ADC數(shù)模轉換使模擬信號變?yōu)榭刂破骺梢宰R別的數(shù)字信號，再將轉換后的數(shù)字信號通過IIC協(xié)議發(fā)送至控制模塊進行數(shù)據(jù)處理。心電傳感器工作原理是利用光學原理進行檢測的，心電傳感器中當光感受器檢測到LED反射的光時，產(chǎn)生的信號通過低通濾波器濾波后，經(jīng)運算放大器將信號放大后輸出，由于該傳感器采集到的信號比較微弱，容易受到噪聲影響，所以在采集端設計了放大電路對信號進行了放大同時設計了濾波電路對系統(tǒng)中的噪聲和干擾進行了濾除，放大電路設計使用專門的儀器放大器進行實現(xiàn)，濾波電路設計的低通濾波器截止頻率按照電路電阻電容計算設計為10 Hz，信號經(jīng)放大濾波電路后再經(jīng)PCF8591數(shù)模轉換電路轉換，轉換后的信號后傳給控制模塊進行處理。心電電路設計如圖2所示。

圖2 心電信號采集電路

1.2 無線模塊電路設計

無線傳輸模塊由Zigbee通信協(xié)調模塊和GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，Zigbee通信模塊主要采用CC2530芯片為核心進行設計，該芯片是由TI公司研發(fā)一款內部含有一塊高效的處理器8051同時含有一款高性能2.4 GHz射頻收發(fā)器模塊的芯片，該款無線芯片構建網(wǎng)絡節(jié)點成本比較低符合設計要求。其在系統(tǒng)中主要工作是收發(fā)通過處理器STM32處理按照算法處理好的各個采集節(jié)點采集的人體生理參數(shù)[5-7]。Zigbee模塊是一款基于UART接口的全雙工無線透明傳輸模塊，可以工作在2 400～2 450 MHz公用頻段。符合IEEE 802.15.4協(xié)議的16個信道劃分，通過該模塊可以使傳統(tǒng)的串口設備實現(xiàn)無線傳輸，替換掉復雜的布線工作。支持不間斷發(fā)送，不限包長，點對點通信可實現(xiàn)0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發(fā)射功率為20 dBm，芯片集成了一塊CC2591功放，可測距離達250 m。該模塊可根據(jù)實際需求，使用板載按鍵進行設置，可以修改模塊的信道、波特率和工作模式。其模塊參數(shù)為工作頻率為2 400～2 450 MHz；發(fā)射功率為4.5 dBm；傳輸速率為最高3 300 Bps；傳輸距離可達250 m，支持工作模式兩種工作模式分別為點對點工作模式、廣播工作模式；通信接口為UART串口(支持8種波特率)；Zigbee模塊的電路設計如圖3所示。

圖3 Zigbee模塊的電路設計圖

設計中設計了無線遠程傳輸功能，采用GPRS模塊進行數(shù)據(jù)遠距離傳輸，該模塊電路設計選用型號為SIM800C作為核心模塊,此模塊在整個系統(tǒng)中的工作是將Zigbee協(xié)調模塊得到的信號協(xié)調發(fā)送給服務器或者上位機，同時可以對數(shù)據(jù)進行閾值對比處理，如果發(fā)現(xiàn)和設置健康指數(shù)嚴重不符進行啟動醫(yī)護報警提示，或者將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給主治醫(yī)生手機進行相應的應急處理[8]。系統(tǒng)GPRS模塊的電路設計如圖4所示。

2 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)整體軟件包括各個病人檢測終端檢測節(jié)點數(shù)據(jù)采集軟件設計，Zigbee和GPRS無線通信和協(xié)調軟件設計，進行閾值醫(yī)護報警提示軟件設計，整體顯示模塊軟件設計和上位機軟件設計5個部分。

2.1 各個病人檢測終端節(jié)點軟件設計

病人檢測采集終端節(jié)點軟件設計，首先是整個系統(tǒng)進行上電復位處理和各個采集傳感器模塊進行初始化，各個病人節(jié)點傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過處理器按照相應算法處理和校正后把信號通過Zigbee模塊對其進行組網(wǎng)進行無線發(fā)送。Zigbee模塊和處理器STM32是經(jīng)過串口進行通信將處理器處理好的實際數(shù)據(jù)結果傳給協(xié)調匯總節(jié)點。整個檢測節(jié)點程序流程如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)協(xié)調器模塊軟件設計

系統(tǒng)協(xié)調器在整個系統(tǒng)中作用是橋梁作用，是將不同采集端口得到的數(shù)據(jù)處理匯總打包發(fā)送給上位機的核心部分。其由處理模塊STM32、Zigbee通信模塊和GPRS無線發(fā)送模塊組成，首先是系統(tǒng)和各個模塊初始化，STM32處理器通過UART3控制Zigbee無線通信模塊進行模塊之間的數(shù)據(jù)通信，將發(fā)送端口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行二次校驗和分析處理傳輸給GPRS模塊，STM32處理器UART3和GPRS模塊之間通信可以將得到的數(shù)據(jù)重新打包處理再通多串口發(fā)送至服務器或PC機，同時也可將數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺。協(xié)調器設計流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調器流程圖

2.3 Zigbee模塊的軟件設計

系統(tǒng)采用Zigbee模塊是通過串口通信的方式與主控制單片機所連接。通過模塊上的按鍵配置為信道相同的兩個模塊，并設置工作模式一個為點對點A端，一個為點對點B端。無線模塊和單片機以串口的方式連接，為了區(qū)分不同終端和某一傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，終端采用數(shù)據(jù)頭+采集的對應數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)尾，采集對應的數(shù)據(jù)又分為某一傳感器的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾。數(shù)據(jù)主Zigbee和兩個從Zigbee之間通信采用點名式思想方案，當主機發(fā)送一個字符o，1號終端接收此字符則發(fā)送當前采集打包好的數(shù)據(jù)包，主機接收到這包數(shù)據(jù)并進行解析。判斷這包數(shù)據(jù)的尾時，繼續(xù)發(fā)送一個字符d，2號終端接收此命令字符，然后發(fā)送當前的數(shù)據(jù)包，主機進行數(shù)據(jù)判斷，接著以次程序的循環(huán)執(zhí)行。主機接收數(shù)據(jù)時使用串口中斷，當接收到判斷到數(shù)據(jù)尾標志位清0停止存放。最后主機合成終端一和終端二的數(shù)據(jù)，將次數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊的發(fā)送函數(shù)。Zigbee串口配置初始化和對應傳輸協(xié)議流程如圖7所示。

圖7 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.4 GPRS模塊的軟件設計

系統(tǒng)對打包好的數(shù)據(jù)進行了遠距離無線傳輸，采用GPRS模塊進行實現(xiàn)，系統(tǒng)使用了GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議，其模塊的初始化以及功能的配置，都使用了32芯片的串口通信，以AT指令的方式，發(fā)送命令給模塊，以來配置模塊的波特率、激活移動場景、無線透傳模式、所要連接的遠端服務器類型IP地址和目的端號等工功能信息。然后系統(tǒng)對SIM卡狀態(tài)愛是否在位進行循環(huán)檢測、接入系統(tǒng)的SIM卡是否有移動網(wǎng)絡；等待模塊初始化成功之后將采集打包好的數(shù)據(jù)以定時的方式，繼續(xù)通過AT指令發(fā)送出去。其軟件配置流程如圖8所示。

圖8 GPRS模塊配置流程圖

2.5 上位機軟件設計

設計中上位機是通多串口接收無線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并實時地根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進行分析繪制檢測節(jié)點心電圖，設計中設計了一個人的上位機終端，系統(tǒng)同時可以設計5個以上檢測終端進行觀察人體生理參數(shù)可以看心電圖，并通過指示燈的方式對曲線的跳動規(guī)則進行顯示，同時按照相應算法進行心理值的顯示。此系統(tǒng)上位機使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進行制作。上位機負責傳輸?shù)浇邮战K端的數(shù)據(jù)及其心電圖的顯示，LabVIEW是一款基于程序開發(fā)設計軟件，設計不用代碼只需采用框圖進行設計，可以縮短開發(fā)流程和時間，設計中LabVIEW設計滿足無線信號實時顯示波形數(shù)據(jù)[9-13]。同時終端的數(shù)據(jù)也可以同時發(fā)送給主治醫(yī)生的手機或者云端進行醫(yī)療提醒，上位機的前面板Labview程序的UI顯示界面，包括了波形顯示、串口選擇、波特率設置件、狀態(tài)提示、脈搏血壓狀態(tài)指示燈、心率血壓血氧值顯示等控件。上位機設計界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW設計上位機界面

程序面板為上位機的程序框圖，其作用是使得各控件之間能相互進行數(shù)據(jù)連接，以及系統(tǒng)與外部程序或接口之間進行通信，比如操作計算機的串口，鏈接其他應用程序，或者操作網(wǎng)絡接口等。與傳統(tǒng)代碼語言不同的是，Labview的編程使用的是圖形語言，其作用和傳統(tǒng)語言類似，屬于面向對象類型，優(yōu)點是相對傳統(tǒng)代碼語言來說更加直觀，便于編寫。上機程序面板如圖10所示。

圖10 上位機程序框圖

3 實驗結果與分析

3.1 放大電路測試和濾波電路測試

由于傳感器采集信號微弱需要放大，系統(tǒng)設計了一種儀器放大電路，系統(tǒng)對傳感器放大電路設計采用MCP-6001運算發(fā)達器芯片進行設計，放大器設計是利用運放進行設計，按照放大電路的運算規(guī)則設計了放大倍數(shù)為330倍左右上下可調的放大器裝置，測試中將脈搏傳感器采集到的微弱電信號接入放器的輸入端口，在輸出端口示波器可以觀察輸出信號的變化關系?？梢苑治鲇嬎愠鰧嶋H放大器的放大倍數(shù)。測試中采用雙通示波器進行觀察，得到輸入輸出實際波形圖，通過示波器可以觀察到信號被明顯放大。測試心電信號放大器前后的心電圖結果如圖11所示。

圖11 放大電路輸入輸出結果測試

同時系統(tǒng)設計了濾波電路對傳感器采集的信號進行噪聲處理，設計了一款低通濾波電路，低通濾波器設計采用RC積分低通濾波電路來實現(xiàn)，按照相應硬件電路計算設計信號帶寬，該濾波器主要濾除電源和其他電路引如系統(tǒng)的高頻噪聲信號。測試中將脈搏傳感器接入濾波電路輸入端，用示波器同時測量輸入輸出信號的變化，比較輸入輸出的波形，觀察濾波效果。通過圖像觀察濾波器對噪聲濾除較好，符合設計要求，測試結果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)低通濾波器測試結果

3.2 發(fā)送終端顯示模塊測試

整個系統(tǒng)在設計中在各個檢測節(jié)點終端設計了顯示模塊，通過該模塊病人自己可以實時觀察自己身體參數(shù)顯示測得數(shù)據(jù)及心電波形圖，通過系統(tǒng)設計的屏幕測試顯示分析，可以看出系統(tǒng)設計效果良好，整個系統(tǒng)是在有噪聲和進行取噪聲條件下進行顯示分析，去噪發(fā)送端測試結果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)發(fā)送終端顯示效果

3.3 對上位機接收到的數(shù)據(jù)進行測試分析

在接收機終端對設計系統(tǒng)整體進行了數(shù)據(jù)分析測試，BPM數(shù)值是通過測量間隔時間進行分析計算得到，測試條件是對同一人用設計系統(tǒng)和現(xiàn)有醫(yī)學通用儀器進行對比測試，可以得到設計的系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定，誤差較小誤，誤差控制在3%以內。測試對比結果如表1所示。

表1 心率對比測試結果

同時數(shù)據(jù)可以通過設計好的上位機直觀地觀察所測的數(shù)據(jù)，通過設計的上位機可以看出系統(tǒng)工作正常，圖形界面顯示比較清晰，可以為醫(yī)護人員進行圖形分析，系統(tǒng)達到了設計目標。上位機顯示畫面如圖14所示。

圖14 位機顯示結果

4 結束語

本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無線心電信號監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時對多個病人進行醫(yī)護監(jiān)測，設計對一個節(jié)點進行了軟硬件設計測試，通過測試數(shù)據(jù)和現(xiàn)有通用醫(yī)學儀器進行數(shù)據(jù)對比分析，證明了該系統(tǒng)能夠準確地對病人生理參數(shù)進行實時監(jiān)測，精度可達2%。該系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有醫(yī)護人員對多個病人生理參數(shù)同時實時監(jiān)測的要求，可以為醫(yī)院推廣。