基于ZigBee技术的无线传输脉搏监测系统设计①

孙迎春， 徐建东， 刘文科

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154007)

0 引言

人体脉搏跳动的频率与强弱是生命特征的重要体现信号，同时也是人体健康状况的重要信息体现［1］.诊脉对我国中医诊断具有重要地位.因此，有许多学者对脉搏信号的各种表现形式进行了大量的分析与研究.传统的脉搏监测系统是采用有线方式进行通信，但这种方式缺点较明显［2］:首先，在信号监测过程中，将传感设备安装在被监护者身体上，监护者活动不方便，不能灵活自由地移动;其次，由于传统系统在通信方式设计上不具有扩展性，导致监测系统的使用者在数量上很有限，而且容易造成电路复杂混乱，可操作性差.

本文介绍的脉搏监测系统是将采集的移动人体的无线终端的脉搏数据，通过ZigBee无线通信技术进行传输，最后将监测结果实时传输到计算机中.该采集系统具有移动性，不受时间和地点的限制，给患者的活动带来许多便利;同时，医护人员可以方便实时观察到人体活动时的脉搏信号.系统体积小、成本低、易操作、效果好.

1 实现原理

血液属于高度不透明液体，其中含有许多血红细胞，它们具有很强的吸收红外线的功能［3］.人体动脉血管随心脏进行周期性地收缩和舒张，当动脉血管的血液容积随之变化时，动脉血管附近的人体组织对于红外光的透射性也随之变化.此现象在人体组织较薄的部位最为明显，本文信号采集选取手指部位，使信号更加容易采集［4］.

脉搏信号采用红外传感器来计数测量信号，并将红外信号转换成电信号，再进行放大、滤波等一系列处理，最后将由AVR单片机的A/D功能转换将模拟信号转换成数字信号并通过ZigBee进行传输，从而完成脉搏信号的采集和传输，最后在上位机进行显示.红外光对管作为红外线脉搏检测元件，ATMEGA8单片机芯片为核心构成信号处理模块，ZigBee作为无线传输技术.

2 路设计

2.1 系统电路

人体脉搏信号监测系统的整体框图如图1所示.首先，通过脉搏传感器硬件装置利用人体脉搏跳动的变化，采集到脉搏的模拟信号，然后对采集到的脉搏信号进行前置放大，把微弱的脉搏模拟信号进行初次放大，然后把信号经过低通滤波滤除脉搏信号中的高频噪声，再经过二次放大电路调整模拟信号的幅值，最后通过A/D转换电路，最终将微弱的脉搏模拟信号转换为高低电平的信号输出，再利用ZigBee技术进行无线传输，最后将数据存储到上位机，供医护人员检索和回放.

2.2 前置放大电路

LM324集成运算放大器具可变的增益输出性质，而且输入阻抗高、模抑制比高、、差动输入等特点，可以较好地实现对微弱的电压信号进行放大［5］，所以选用LM324作为前置放大器.由于对该信号进行放大时需要二次放大，为了避免波形失真，前置放大为100倍.

图1 系统框图

2.3 滤波和主放大电路

采集到的电信号经过前置放大之后，会产生高频干扰，由于脉搏波为低频信号［6］，所以本系统采用RC低通滤波器进行滤波.由于脉搏信号的频率低于10Hz，RC滤波器的截止频率为，所以设计R为100Ω，C为200uF，截止频率为8Hz，该电路设计针对滤波技术比较容易实现而且成本较低.由于原始电信号经过低通滤波器的处理后，电信号变得比较微弱，信号幅值比较小，不利于我们观察和分析，因此该信号必须通过较好的放大器进行放大.我们选用可调的反向比例放大器，电信号经过放大10倍之后，信号的峰值能够达到1V左右，这样的信号幅值就有利于医护工作者观察和分析.

2.4 A/D 转换电路

A/D转换电路作用是将模拟信号转换成数字信号，再进行计数和处理，并将数据通过通信接口发送到ZigBee无线模块.采用ATMEGA8芯片为核心设计，其具有在相同的系统时钟下AVR单片机运行速度最快;芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大;集成A/D模数器;通信接口多;丰富的中断源等优点.因此该电路具有高可靠性、高速度、低功耗的性能.

2.5 ZigBee无线传输

针对病患人群，需要选用对人体低辐射，人员移动方便的无线组网传输，采用ZigBee作为传输模块.选用新一代真正的片上系统CC2530芯片，该芯片是充分利用工业通信的2.4GHz的免费频段，其通信标准符合 IEEE802.15.4要求，因此该设计保证了短距离通信的有效性和可靠性.基于CC2530芯片开发的无线通信设备通信速率高达250kbit/s，不但可以实现单点对多点，同时也可以实现多点对多点的快速、优化组网.CC2530芯片提供的外围接口硬件支持数据帧格式，经过软件算法处理后的数字信号利用CC2530自身携带的Zig-Bee无线通信模块，可以快速实现脉搏信号的无线传输.通信系统具有操作简单、网络容量大、实时、安全可靠等特点.每一个ZigBee网络节点能够在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点进行无线连接.在整个无线网络范围内，ZigBee传输模块之间都可以实现互相通信，每一个网络节点间的距离可以从标准的75m扩展至几百米.系统具有良好的移动性，广泛适用于医院移动监测、健康运动监测、家庭健康监测等诸多领域.

图2 系统程序流程图

3 软件设计

本系统软件部分主要包括:AVR单片机的初始化、脉搏信号的采集分析处理、信号的无线传输三部分.AVR单片机的初始化是为主功能和子功能各模块的正常工作做好准备.首先上电，然后设置各种工作模式，设置波特率、工作时钟、全局变量的初始化，启动相应程序.脉搏信号的采集是利用红外脉搏传感器在手指部位采集信号.信号的采集分析处理包括了信号的滤波、按键中断程序以及信号A/D转换等.其作用是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号发送给ZigBee模块.信号的无线传输是整个系统的核心部分，其作用是数字信号在ZigBee各个模块中互相通信，构成一个无线通信网，最终通过串口将信号准确可靠地传输到上位机，并在上位机实时显示信号波形.为确保信号传输安全可靠，设计整个系统程序流程如图2所示.

程序首先进行上电，然后进行各个变量初始化，信号模数转换，数字信号发送到ZigBee模块，最后将ZigBee无线网络中的数据传输到上位机，进行实时显示.整个程序结构清晰严谨，保证系统稳定、安全、可靠的工作.

4 结论

通过脉搏信号采集及传输实验，该设计能完成脉搏波形的采集，而且系统功耗较低，可靠性好，可以长时间准确采集人体一段时间内的脉搏信号，并利用ZigBee无线技术传输给上位机，通过软件分析可以实时计算出脉搏频率.该系统设计针对脉搏的变化率具有较高灵敏性，而且系统中硬件设备成本低，无线传输模块功耗低，操作方便，易使用等优点.

通过软件界面的脉搏波形图，能够清晰的计算出人体的脉搏频率，且系统对脉搏频率测量的误差范围在±5%之内，达到预期目标.ZigBee无线实现了对人体的长时间不间断监测.本设计的优点是把ZigBee无线通信技术应用到有线的脉搏波形监测系统中，利用无线通信取代传统有线传输，患者使用起来比较方便，而且医疗单位在管理方面效率也大大提高;同时，该系统还可以在原来的平台上，将血压、心电、呼吸等人体生命体征的一些信号，通过检测模块集成到该监护系统中，为远程医疗以及家庭监护等奠定基础条件.医护人员远程通过计算机界面观察患者脉搏波形的变化情况，来准确判断该患者心血管系统的健康状况.

［1］朱翔宇，韩红远.LCD液晶数字显示红外脉搏表［J］.太原科技，2006，12:79－80.

［2］崔波，高博，龚敏.基于红外反射光容积脉搏波的血管阻力研究［J］.光散射学报，2011，(4):45－48.

［3］何伟城，陈进军.基于红外方式的嵌入式人体心率检测系统设计［J］.现代计算机，2011，(5):98－103.

［4］乜国荃，方祖祥.人体脉搏的测量与分析［J］.上海生物医学工程，2006，02:34 －35.

［5］景斌，李海云.基于红外序列图像的心率无损检测方法研究［J］.中国生物医学工程学报，2010，6:87 －90.

［6］郑万挺，陈付毅.光电脉搏血氧心率仪电路设计［J］.电子器件，2010，6:67 －70.