基于PVDF傳感器和LoRa的遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測系統(tǒng)

摘" 要： 文中設(shè)計(jì)一種基于PVDF傳感器和LoRa無線通信模塊的遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，旨在為阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS）患者提供高效、準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。該系統(tǒng)利用PVDF傳感器采集呼吸信號(hào)，通過放大與濾波電路對(duì)其進(jìn)行處理，并利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)處理后的呼吸信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測。為擴(kuò)大遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的通信范圍，引入一級(jí)中繼設(shè)備，并提出新型的信道資源分配規(guī)則和擴(kuò)頻因子分配算法，以提高無線通信信道的利用率，增加病人的支持?jǐn)?shù)量。文中首次提出一級(jí)中繼設(shè)備擴(kuò)頻因子的約束條件和中繼設(shè)備的替代性指數(shù)，以優(yōu)化遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。通過呼吸信號(hào)采集測試驗(yàn)證文中提出的呼吸信號(hào)采集放大電路的功能，根據(jù)通信測試驗(yàn)證文中提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及搭建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法。測試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，并展示了其在醫(yī)療監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： OSAHS； PVDF傳感器； LoRa； 呼吸監(jiān)測； 信號(hào)處理； 擴(kuò)頻因子； 無線通信； 中繼設(shè)備

中圖分類號(hào)： TN99?34" " " " " " " " " " nbsp; " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）23?0069?07

Remote respiratory monitoring system based on PVDF sensor and LoRa

YANG Zengwang1， 2， HUA Zhiyuan1， DAI Zhihao1， ZHAO Xuecheng1， 2

（1. School of Physics and Electronic Engineering， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China;

2. Xuzhou Yonker Electronic Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221008， China）

Abstract： A remote respiratory monitoring system based on PVDF （polyvinylidene fluoride） sensors and LoRa wireless communication modules is studied. The system aims to provide efficient and accurate remote monitoring solutions for patients with obstructive sleep apnea?hypopnea syndrome （OSAHS）. In the system， the PVDF sensors are utilized to collect respiratory signals， which are processed with amplification and filtering circuits. And then， the LoRa technology is used for remote transmission and monitoring of the processed respiratory signals. To expand the communication range of the remote respiratory monitoring system， primary relay devices are introduced， along with new channel resource allocation rules and spread spectrum factor allocation algorithm， so as to improve the utilization of wireless communication channels and increase the number of supported patients. In this study， constraints on the spread spectrum factor of primary relay devices and an index of substitutability for relay devices are introduced for optimizing the design process of the remote respiratory monitoring system. The functionality of the proposed respiratory signal collection and amplification circuit in this study has been verified by the respiratory signal collection testing. The proposed network structure and the method of building the network structure have been verified by the communication testing. The results of the above testing have validated the effectiveness of the proposed system and demonstrated the application potentiality of the system in the field of medical monitoring.

Keywords： OSAHS; PVDF sensor; LoRa; respiratory monitoring; signal processing; spread spectrum factor; wireless communication; relay device

0" 引" 言

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS）是一種常見的臨床綜合征，主要表現(xiàn)為嗜睡、晝間疲勞、嗓音嘶啞、打鼾、夜間盜汗和夜尿增多等。其是由上氣道塌陷和呼吸中樞神經(jīng)調(diào)節(jié)因素障礙造成氣道狹窄阻塞所引起，會(huì)導(dǎo)致夜間睡眠中呼吸反復(fù)暫停，出現(xiàn)間歇性低氧血癥，甚至造成夜間猝死，嚴(yán)重威脅患者健康[1]。目前，臨床睡眠呼吸監(jiān)測以多導(dǎo)睡眠（Polysomnography， PSG）呼吸監(jiān)測為主。然而，該設(shè)備的操作過程復(fù)雜，并需要在患者身上粘貼大量電極導(dǎo)線，這對(duì)患者的睡眠質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響[2]。此外，PSG檢測需要專業(yè)人士對(duì)儀器進(jìn)行操作，這導(dǎo)致了患者的健康成本上升，從而給患者的健康監(jiān)控和健康數(shù)據(jù)記錄帶來挑戰(zhàn)[3]。

現(xiàn)如今，越來越多的方法被用于呼吸監(jiān)測，如電感式體積描記檢測、磁電檢測、光纖傳導(dǎo)檢測、阻抗檢測、壓阻檢測和PVDF傳感器等。其中尤其受到國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的是使用PVDF材料進(jìn)行呼吸監(jiān)測[4]。在室溫環(huán)境下，PVDF對(duì)低頻和高頻信號(hào)均有良好的壓電效應(yīng)，并且機(jī)械強(qiáng)度高，擁有很高的內(nèi)阻，適合應(yīng)用于呼吸監(jiān)測。

文獻(xiàn)[5?6]提出霧計(jì)算下利用物聯(lián)網(wǎng)概念的新穎架構(gòu)用于智能健康監(jiān)測，并在2019年提出利用LoRa技術(shù)和霧計(jì)算部署健康監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]提出基于LoRa網(wǎng)絡(luò)、霧計(jì)算和近地球軌道衛(wèi)星的全新架構(gòu)用于農(nóng)村醫(yī)療。

文獻(xiàn)[8]分析了遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)測應(yīng)用于診治阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的價(jià)值，表明遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測的可行性與有效性。文獻(xiàn)[9]利用LoRa技術(shù)對(duì)社區(qū)老人的身體健康狀況進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控。文獻(xiàn)[10]提出利用LoRa技術(shù)構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)老人血壓的多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)監(jiān)測。

對(duì)比現(xiàn)有的藍(lán)牙、WiFi，LoRa技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)[11?12]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種利用LoRa技術(shù)的一級(jí)中繼設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，可以滿足多位病人遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測的需求。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)了一種使用PVDF材料采集呼吸數(shù)據(jù)的電路方案；針對(duì)LoRa信號(hào)干擾問題，提出新型的信道資源分配規(guī)則；首次提出一級(jí)中繼設(shè)備擴(kuò)頻因子的約束條件；引入中繼設(shè)備的替代性指數(shù)，以避免設(shè)備冗余。

1" 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)主要面對(duì)的應(yīng)用場景是養(yǎng)老院與醫(yī)院，其特點(diǎn)是多位病人需要同時(shí)與監(jiān)控設(shè)備建立通信，以此減少病人的監(jiān)管成本和醫(yī)治成本。

1.1" 總體結(jié)構(gòu)

考慮到養(yǎng)老院、醫(yī)院等場景下病人多且分散的特點(diǎn)，本系統(tǒng)分為呼吸信號(hào)采集設(shè)備（下文簡稱“采集設(shè)備”）、一級(jí)中繼設(shè)備（下文簡稱“中繼設(shè)備”）和健康監(jiān)控中心。采集設(shè)備由呼吸信號(hào)監(jiān)測腰帶、呼吸信號(hào)采集電路、微控制芯片控制電路和LoRa通信電路四部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。將PVDF材料內(nèi)嵌在腰帶上從而實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的采集[13]。呼吸信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路后經(jīng)ADC采集，輸入微控制芯片。微控制芯片對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行分析，得出呼吸頻率與呼吸幅度信息，并將呼吸波形數(shù)據(jù)保留在本地。微控制芯片通過LoRa無線通信模塊將呼吸頻率與呼吸幅度信息傳輸給中繼設(shè)備，由中繼設(shè)備將呼吸數(shù)據(jù)傳輸給健康監(jiān)控中心，從而提升通信距離。

通過無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測[14]。

1.2" 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

將中繼設(shè)備部署在醫(yī)院的各個(gè)區(qū)域，確保每個(gè)采集設(shè)備能夠與距離最近的中繼設(shè)備通過LoRa模塊建立通信，通信速率為[Ra]，最大通信距離為[La]。形成有效通信網(wǎng)絡(luò)的采集設(shè)備和中繼設(shè)備共同構(gòu)成子網(wǎng)絡(luò)。這些中繼設(shè)備的職責(zé)是接收其通信范圍內(nèi)多個(gè)采集設(shè)備的信號(hào)，并將這些信號(hào)匯總后發(fā)送至健康監(jiān)控中心。健康監(jiān)控中心通過這些中繼設(shè)備以更高的通信速率[Rb]與各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)建立通信，最大通信距離為[Lb]。由此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最大通信距離為[Lmax=La+Lb]，在該設(shè)置下，[Ra]應(yīng)小于[Rb]，[La]應(yīng)大于[Lb]，以此來優(yōu)化整體的通信效率，擴(kuò)大通信范圍。文獻(xiàn)[15]提出一種用于監(jiān)測患者健康數(shù)據(jù)、基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其采用增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量的方法來滿足大范圍內(nèi)各個(gè)病人之間的健康監(jiān)測需求，并使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的方法以避免潛在的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。與文獻(xiàn)[15]相比，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使用多個(gè)中繼設(shè)備來覆蓋大范圍的區(qū)域，并使用信道資源分配和擴(kuò)頻因子分配算法來避免數(shù)據(jù)包碰撞。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。部分采集設(shè)備處在兩個(gè)或兩個(gè)以上的中繼設(shè)備的通信范圍內(nèi)，即存在中繼設(shè)備的密集化現(xiàn)象，容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的信號(hào)干擾和中繼設(shè)備的冗余現(xiàn)象[16]。

為了避免不同LoRa信號(hào)之間的互相干擾[17]，同時(shí)考慮到只有頻率、擴(kuò)頻因子、帶寬相同的節(jié)點(diǎn)直接可以建立通信[18]，本文建立LoRa無線通信信道資源分配規(guī)則如下。

1） 為每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分配獨(dú)立的通信頻段，并在子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用統(tǒng)一的擴(kuò)頻因子。

2） 中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心之間的通信使用唯一的通信頻段，通過分配擴(kuò)頻因子的策略避免信號(hào)干擾。

HC?14模塊支持50個(gè)通信頻段，由于需要保留一個(gè)頻段用于中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心之間的通信，因此在這個(gè)方案中，可以支持的最大中繼設(shè)備數(shù)量為49個(gè)。為了最大化中繼設(shè)備的利用率，本文提出中繼設(shè)備替代性指數(shù)[C]（簡稱替代指數(shù)），將只可與該中繼設(shè)備建立通信的呼吸設(shè)備個(gè)數(shù)作為中繼設(shè)備替代性的重要指標(biāo)。

[C（i）=M（i）-j=1， j≠iNM（i， j），" " i， j∈{1，2，…，N}] （1）

式中：[C（i）]為替代指數(shù)；[M（i）]為與中繼設(shè)備[i]建立無線通信的采集設(shè)備的數(shù)量；[M（i， j）]表示與中繼設(shè)備[i]建立無線通信且處在中繼設(shè)備[j]通信范圍[La（j）]內(nèi)的采集設(shè)備數(shù)量；[N]代表中繼設(shè)備的總數(shù)量。[C（i）]為0的中繼設(shè)備可從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中移除，從而減少頻段資源的浪費(fèi)。替代指數(shù)與文獻(xiàn)[19]提出的無線通信網(wǎng)絡(luò)中的介數(shù)中心性指標(biāo)相比更有利于減少冗余的中繼設(shè)備個(gè)數(shù)。

2" 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1" 呼吸信號(hào)采集與處理

呼吸信號(hào)采集與放大電路如圖3所示，PVDF受力后產(chǎn)生的電荷量較小，電路無法直接監(jiān)測PVDF產(chǎn)生的電荷變化。考慮到PVDF具有高內(nèi)阻抗、低輸出電流的特點(diǎn)，所以采用具有高輸入阻抗的AD820組成電荷放大電路。由于電荷放大電路的輸出電壓較小，需要在電荷放大電路的下一級(jí)設(shè)計(jì)電壓放大電路，使得輸出電壓可以出現(xiàn)明顯的變化。放大電路的運(yùn)算放大器是OP07，其具有非常低的輸入失調(diào)電壓，同時(shí)它的輸入偏置電流也非常低，能夠滿足本電路的電壓方法需求。

2.2" 工頻陷波電路

考慮到養(yǎng)老院和醫(yī)院場景下的電磁環(huán)境，必須設(shè)計(jì)一種電路消除由電磁效應(yīng)產(chǎn)生的干擾。如圖4所示，設(shè)計(jì)了一種50 Hz有源陷波器濾波電路，其由一片LM358運(yùn)算放大器與雙T陷波器組成，同時(shí)引入了負(fù)反饋。陷波器是一種帶阻濾波器，在理想的情況下可以消除特定頻率的信號(hào)。理想的帶阻濾波器在其阻帶內(nèi)的增益為零[20]。

圖4中的U3B運(yùn)算放大器用作電壓跟隨器用于增大濾波器的品質(zhì)因數(shù)[Q]值，[R8]與[R9]用于調(diào)節(jié)帶寬，控制陷波器的濾波特性。阻帶中心頻率的公式如式（2）所示：

[f0=12πRC] （2）

式中：[R]取值為9.66 kΩ；電容[C]取值為0.33 μF。使用Multisim對(duì)設(shè)計(jì)的工頻陷波電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示，在50.131 Hz處，幅度為-28.298 dB，滿足本次電路設(shè)計(jì)要求。

2.3" 電壓提升電路與電壓跟隨電路

PVDF傳感器的信號(hào)經(jīng)過放大和濾波后，為正負(fù)電壓信號(hào)，但是微控制芯片只能處理正電壓信號(hào)，因此仍需要對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本文使用LM358運(yùn)算放大器將正負(fù)電壓信號(hào)提升到微控制芯片可以檢測到的范圍內(nèi)，使得微控制芯片的ADC端口可以采集該信號(hào)。同時(shí)，由于微控制芯片的輸入阻抗較小，易使得信號(hào)產(chǎn)生損耗，本文將LM358的另一運(yùn)算放大器端口設(shè)計(jì)為電壓跟隨電路，實(shí)現(xiàn)電路之間的隔離，避免信號(hào)出現(xiàn)損耗。

電壓提升電路與電壓跟隨電路如圖6所示。

2.4" 無線通信模塊

LoRa通信模塊選用HC?14無線通信模塊，工作頻段為415～450 MHz，支持多達(dá)50個(gè)通信信道，以解決通信系統(tǒng)中頻譜資源有限、干擾與碰撞問題的挑戰(zhàn)。HC?14模塊具備最大發(fā)射功率為100 mW（20 dBm）的特性，在適宜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長距離通信，并具備良好的信號(hào)穿透性，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的通信需求，其接收靈敏度達(dá)到-140 dBm，在最低速率下具有出色的接收性能，能夠有效地接收微弱信號(hào)，從而擴(kuò)展了通信范圍和可靠性。在采集設(shè)備上配有一塊HC?14模塊用于傳輸呼吸數(shù)據(jù)至中繼設(shè)備處。在中繼設(shè)備配有兩塊HC?14模塊，分別用于接收采集設(shè)備的呼吸數(shù)據(jù)，傳輸子網(wǎng)內(nèi)多個(gè)采集設(shè)備的呼吸數(shù)據(jù)至健康監(jiān)控中心。這樣的設(shè)計(jì)可以使子網(wǎng)內(nèi)部通信的擴(kuò)頻因子系數(shù)與中繼設(shè)備及健康監(jiān)控中心之間的擴(kuò)頻因子系數(shù)不相同，以滿足二者不同的通信需求。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1" 呼吸信號(hào)采集設(shè)備工作邏輯

微控制芯片型號(hào)為STM32L431RCT6，通過其內(nèi)置的12位ADC模塊，可對(duì)連接到電壓跟隨電路的信號(hào)輸出引腳的模擬信號(hào)進(jìn)行高分辨率采集。該芯片通過內(nèi)部處理單元對(duì)采集到的呼吸信號(hào)進(jìn)行信號(hào)分析、編碼，提取有效呼吸數(shù)據(jù)。采樣率設(shè)置為80次/s，根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，能夠滿足正常呼吸信號(hào)的檢測要求。微控制芯片具備智能檢測功能，可判斷患者是否存在呼吸暫停，并將呼吸頻率數(shù)據(jù)與呼吸暫停警告?zhèn)鬏斨吝h(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)備，同時(shí)將呼吸波形數(shù)據(jù)保留在本地。

通過UART通信協(xié)議，微控制芯片與HC?14通信模塊建立連接。微控制芯片利用UART通信通道，將處理后的呼吸數(shù)據(jù)傳輸至HC?14模塊。HC?14模塊負(fù)責(zé)通過無線通信功能將這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者呼吸情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程傳輸。微控制器芯片處理邏輯如圖7所示。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)備上配備了一個(gè)專門的接收和解碼呼吸信號(hào)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)行解析、分析和顯示。通過這個(gè)系統(tǒng)，醫(yī)護(hù)人員可以直觀地了解病人的呼吸頻率、呼吸幅度等關(guān)鍵信息，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取必要的救治措施。

3.2" 擴(kuò)頻因子分配算法

LoRa調(diào)制中的符號(hào)速率[Rs]取決于帶寬和擴(kuò)頻因子，單個(gè)碼元的傳輸時(shí)間[Ts]計(jì)算公式見式（3）：

[Ts=1Rs=2SFBW] （3）

LoRa數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼和有效負(fù)載。設(shè)[npreamble]為前導(dǎo)碼的長度，則前導(dǎo)碼的傳輸時(shí)間可以通過式（4）來計(jì)算。

[Tpreamble=（npreamble+4.25）*Ts] （4）

設(shè)有效載荷的符號(hào)長度為[nPL]，[nPL]包括8 B的頭字段、有效載荷字段與循環(huán)冗余校驗(yàn)字段（CRC），計(jì)算公式如式（5）所示：

[nPL=8+maxceil8PL-4SF+28+16CRC-20H4（SF-2DE）（CR+4），0]"（5）

式中：PL代表有效載荷的字節(jié)數(shù)；SF代表擴(kuò)頻系數(shù)；CRC是循環(huán)冗余校驗(yàn)字節(jié)數(shù)；[H]為0時(shí)啟用報(bào)頭，為1時(shí)不啟用報(bào)頭；DE為1時(shí)，啟用低數(shù)據(jù)速率優(yōu)化，為0時(shí)則反之；CR表示編碼率。

由此可以計(jì)算得到單個(gè)數(shù)據(jù)包的空中時(shí)間，計(jì)算公式為：

[Tpacket=Ts（npreamble+nPL+4.25）] （6）

由上述分析可知，使用更小的擴(kuò)頻因子可以使得數(shù)據(jù)包的傳輸速度加快。由于單個(gè)中繼設(shè)備需要收集子網(wǎng)內(nèi)多個(gè)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，并上傳至健康監(jiān)控中心，所以中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心的通信速率應(yīng)大于中繼設(shè)備與采集設(shè)備之間的通信速率，中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心之間的通信應(yīng)采用較小的SF。由于SF個(gè)數(shù)有限，當(dāng)中繼設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，需要多個(gè)中繼設(shè)備使用同一SF系數(shù)與健康監(jiān)控中心進(jìn)行交替通信，且通信的時(shí)間需要相同，定義[NSF]為使用擴(kuò)頻因子SF與健康監(jiān)控中心建立通信的中繼設(shè)備個(gè)數(shù)。為了能夠合理設(shè)定擴(kuò)頻因子系數(shù)，需要對(duì)通信效率進(jìn)行分析，本文將有效載荷的字節(jié)數(shù)PL與為了傳輸PL花費(fèi)的時(shí)間定義為通信效率，對(duì)子網(wǎng)內(nèi)的通信定義效率為[Ea（i）]，對(duì)中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心的通信定義效率為[Eb（i）]。[Ea（i）]為單個(gè)采集設(shè)備向中繼設(shè)備傳輸?shù)挠行лd荷的字節(jié)數(shù)PL與單個(gè)數(shù)據(jù)包的空中時(shí)間[Tapacket]的比值。單位時(shí)間內(nèi)，中繼設(shè)備為了將[M（i）]個(gè)PL傳輸至網(wǎng)關(guān)處，需要將其分成[λ]次傳輸。同時(shí)，由于使用同一SF的中繼設(shè)備占用相同的通信時(shí)間，因此[Eb（i）]定義為[M（i）]個(gè)PL與[λ]個(gè)[Tbpacket]的比值再乘以[NSF]。

[Ea（i）=PLTapacket，" " "i∈{1，2，…，N}] （7）

[Eb（i）=NSFM（i）PLλTbpacket，" " i∈{1，2，…，N};SF∈{7，8，…，12}] （8）

式中：[Eb（i）]應(yīng)大于等于[Ea（i）]；[Tapacket]是指子網(wǎng)內(nèi)發(fā)送單個(gè)數(shù)據(jù)包的空中時(shí)間；PL為單個(gè)采集設(shè)備單次上傳的有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；[Tbpacket]是指中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心單個(gè)數(shù)據(jù)包的通信時(shí)間；[λ]表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的周期數(shù)。由此可以得到對(duì)于中繼設(shè)備擴(kuò)頻因子的約束條件。

[2SFa-SFb≥λ（npreamble+nbPL+4.25）NSFM（i）（npreamble+naPL+4.25）] （9）

式中：[naPL]為子網(wǎng)內(nèi)部有效載荷的符號(hào)長度；[SFa]為擴(kuò)頻因子；[nbPL]為中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心通信的單個(gè)數(shù)據(jù)包的有效載荷的符號(hào)長度；[SFb]為擴(kuò)頻因子。

子網(wǎng)內(nèi)部使用獨(dú)有的頻段資源與相同的擴(kuò)頻因子，為了合理分配中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心之間通信的擴(kuò)頻因子，可以依據(jù)文獻(xiàn)[18]提出的擴(kuò)頻因子利用率[uSF]。

[uSF=NSF*Tbpacket*λ] （10）

定義目標(biāo)函數(shù)為[f（U）]，目標(biāo)是使得每個(gè)中繼設(shè)備的擴(kuò)頻因子之間的利用率差值最小。

[f（U）=minSFi，SFj∈{7，8，9，10}（uSFi-uSFj），" SFi≠SFj] （11）

由于SF過大時(shí)，數(shù)據(jù)率過低，本文系統(tǒng)選用7、8、9、10等值參與分配。由于SF的大小會(huì)影響到通信距離，當(dāng)中繼設(shè)備過遠(yuǎn)時(shí)，只能使用更大的擴(kuò)頻因子。因此按照距離由遠(yuǎn)及近的順序逐一為中繼設(shè)備按照分配算法分配擴(kuò)頻因子，使得遠(yuǎn)處的中繼設(shè)備擁有擴(kuò)頻因子分配的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)中繼設(shè)備超出所分配的擴(kuò)頻因子的通信范圍內(nèi)時(shí)，則為中繼設(shè)備分配更大的擴(kuò)頻因子，并更新擴(kuò)頻因子利用率[uSF]。為中繼設(shè)備分配擴(kuò)頻因子后，計(jì)算該中繼設(shè)備擴(kuò)頻因子的約束條件，得到并設(shè)置子網(wǎng)內(nèi)部通信的擴(kuò)頻因子。通過圖8所示的步驟，完成通信系統(tǒng)的構(gòu)建。

4" 系統(tǒng)測試

4.1" 呼吸信號(hào)采集測試

測試期間，測試者呈仰臥姿勢(shì)平躺在床上，將設(shè)備佩戴至測試者的腰部，采集呼吸數(shù)據(jù)。在患者呼吸穩(wěn)定后，采集2 min的呼吸信號(hào)幅度數(shù)據(jù)，截取其中20～40 s共20 s的呼吸數(shù)據(jù)，共采集到5個(gè)呼吸周期數(shù)據(jù)。呼吸信號(hào)的幅度值在1.47～1.73 V之間，頻率為15次/min。測試結(jié)果表明，本文提出的呼吸檢測方法可用于患者呼吸信號(hào)的采集。呼吸信號(hào)波形如圖9所示。

4.2" 通信測試

為了驗(yàn)證本文提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用5個(gè)采集設(shè)備和3個(gè)中繼設(shè)備進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如表1所示。

首先測量各個(gè)中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心的直線距離，由遠(yuǎn)到近進(jìn)行排序，使用擴(kuò)頻因子分配算法逐個(gè)為中繼設(shè)備分配擴(kuò)頻因子。距離較遠(yuǎn)的1號(hào)中繼設(shè)備不在擴(kuò)頻因子為7時(shí)的通信范圍內(nèi)，因此分配擴(kuò)頻因子為8。中繼設(shè)備與健康監(jiān)控中心之間的通信中心頻率為449.86 MHz，擴(kuò)頻因子依次被分配為8、7、7，編碼率CR設(shè)置為2，替代性指數(shù)依次為1、2、2。5個(gè)采集設(shè)備分別連接不同的中繼設(shè)備，并分別傳輸不同的數(shù)據(jù)包至中繼設(shè)備處，由中繼設(shè)備擴(kuò)頻因子的約束條件，可將每個(gè)采集設(shè)備設(shè)定擴(kuò)頻因子為11，頻率分別設(shè)置為415.09 MHz、415.70 MHz、416.31 MHz，編碼率CR設(shè)置為2。使用Matlab編寫上位機(jī)程序接收3個(gè)中繼設(shè)備傳輸?shù)暮粑鼣?shù)據(jù)，監(jiān)測界面如圖10所示。

測試結(jié)果表明，本文提出的方法可用于醫(yī)療環(huán)境中多位患者的智能遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測。

5" 結(jié)" 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PVDF傳感器和LoRa無線通信的遠(yuǎn)程呼吸監(jiān)測系統(tǒng)，針對(duì)阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（OSAHS）患者提供了一種創(chuàng)新解決方案。通過對(duì)PVDF傳感器采集的呼吸信號(hào)進(jìn)行有效處理與優(yōu)化的無線通信策略，不僅提升了遠(yuǎn)程監(jiān)控的精確度和可靠性，還展現(xiàn)了其在醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的潛力。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，該系統(tǒng)有望為更多的患者提供便捷、實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測服務(wù)。

注：本文通訊作者為華志遠(yuǎn)。

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作者簡介：楊增汪（1972—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?/p>

華志遠(yuǎn)（2001—），男，安徽滁州人，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。