基于蓝牙4.0BLE的移动心电监测系统*

柴继红，杨宏丽

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

基于蓝牙4.0BLE的移动心电监测系统*

柴继红，杨宏丽

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

为解决心电图参数监测的快捷性和实时交互性问题，实现疾病早发现早控制，本文提出一种基于Android平台的无线心电监测系统方案．监测终端采用微控制器MSP430实现心电信号的采集放大和AD转换，选用内置低功耗蓝牙4.0BLE的CC2540，实现心电数据至智能健康手机的无线数据通信功能，并经3G移动通信网络传输至远端医生的“健康档案管理平台”，实现医患交互式移动医疗服务．

心电监测；蓝牙；远程医疗；CC2540

心血管疾病的发作往往是随机的、短暂的，患者难以及时赶到医院进行有效检查．目前社会老龄化亚健康日趋严重，研究开发随时随地移动心电图监测系统有很广的应用前景．国外已经有基于iPhone开发的iPhoneECG产品，但基于Android平台的类似产品还处于空白，因此，在智能手机应用最广泛的开放性平台开发移动医疗应用很有意义．本文提出一套便捷通用的解决方案，患者使用便携式心电采集器采集心电信息，通过最新的低功耗蓝牙4.0协议传输至智能手机网关，最终由3G移动通信网络传输至远端医生的“健康档案管理平台”，实现医患交互式移动医疗服务．本文将重点阐述系统的网络架构，提出应用CC2540实现低功耗蓝牙4.0通信协议的心电无线检测终端的数据传输方案，以及采用微控制器MSP430FG439实现的心电检测电路方案[1]．

1 系统概述

系统框图如图1所示，系统包括心电无线检测终端、智能健康手机和健康档案管理后台．心电无线检测终端采用低功耗微处理器 MSP430，实现心电信号的放大、滤波等基本处理，以及模数转换，心电信号通过低功耗蓝牙4.0BLE协议接口传至智能健康手机，智能健康手机可登录服务器查阅健康档案，在必要时医生端可通过3G物联网访问智能健康手机给出健康指导，实现医患随时随地双向沟通的虚拟医院．

图1 移动心电监护系统框图

2 心电无线检测终端硬件设计

心电无线检测终端的硬件由3部分组成：心电放大及滤波电路模块、MSP430主处理模块和CC2540蓝牙通信模块，电路框图如图2所示．

2.1 心电放大及滤波电路模块

临床上用于诊断心脏病的主要技术之一是心电图，心电图机通过测量心电在体表的电位来推测心脏的疾病．本文研究的心电无线检测终端采用电极在人体体表拾取的微弱电信号，因其信号频率低、易受干扰，心电信号的采样检测电路就需要包括前置放大、后级放大、滤波电路等模块．为满足心电检测的家用便携等应用需求，心电无线检测终端选用具有超低功耗和高集成度的16位微控制器MSP430FG439为处理核心，充分利于其内部集成的运算放大器进行信号放大电路的设计．

图2 心电无线检测终端电路图

心电信号采集及预处理模块主要功能包括：由ECG电极采集人体表面的微弱心电信号，采用仪表放大器INA321对该信号进行倍数为5的前置放大，50Hz陷波器滤除工频干扰；主放大采用MSP430FG439内部的运算放大器，对ECG前端输入的心电信号再进行100倍放大，这样经过放大倍数Gain＝5×100=500放大的心电信号，能够满足AD转换的电压要求；经过12位的A/D转换后，经由蓝牙4.0无线传输模块发送给智能健康手机[2]．

放大和滤波的模拟部分电路图如图3所示，包括前置放大、双T滤波器和主运放3个部分．人体电极进入的信号首先通过前置放大电路，采用TI公司的仪表运放INA321，该器件的工作电压为 2.7V，设定其放大倍数为 5倍．主运放采用MSP430FG439单片机内部的可编程运放OA0，电路设计为100倍的放大倍数，满足后续AD转换的电压要求．

系统滤波包括 2部分电路：带通滤波器和50Hz/60Hz陷波器．50Hz/60Hz陷波器采用双T陷波器，以消除工频干扰，如图3中所示R6，R7，R8，C2，C3 和 C4组成的电路．

2.2 MSP430主处理模块

心电无线检测终端特点是小型化和便携化，所以 MSP430FG439主处理模块主要完成心电信号的采集、模拟放大、A/D转换以及与蓝牙无线通信模块的数据传输功能．经过模拟放大后的心电信号传输到主处理模块 MSP430FG439内部ADC的输入通道A1，定时器Timer A实现512Hz的采样频率，触发A/D转换．Timer A的时钟控制脉冲来自引脚ACLK，其频率由32.768kHz的低频晶体振荡器产生．

2.3 CC2540蓝牙通信模块

心电无线检测终端的蓝牙传输模块选用 TI公司完全支持蓝牙4.0BLE协议的单片机CC2540，该芯片是一款高性价比低功耗的SoC，适合蓝牙的低功耗应用．单个芯片上整合了51内核、蓝牙RF射频收发器、系统编程闪存、8kBRAM及其它强大的外设资源．CC2540集成了蓝牙4.0低功耗协议栈，内部设计超低功耗的睡眠模式，以及睡眠模式与运行模式间的超低功耗转换，能够达到最低功耗仅0.4μA，即使在发射数据时所需消耗的通信电流也仅有24mA．

图3 心电放大及滤波电路图

3 蓝牙4.0无线通信软件设计

心电无线检测终端的蓝牙传输模块软件采用TI公司的蓝牙4.0BLE协议栈，采用分层式软件结构，BLE-Stack软件结构如图4所示，BLE-Stack协议栈大体分为协议栈文件与OSAL系统两个部分．BLE-Stack就是将各层定义的协议都集合在一起，以库文件函数的形式实现，并提供给用户调用．OSAL实质上是一个简单的多任务操作系统，能够实现高效的任务资源分配和调度机制[3]．

3.1 BLE-Stack GAP层的应用

GAP层位于协议栈的顶层，将底层协议栈和收发数据的应用紧密联系在一起，是为蓝牙设备建立连接的核心．GAP层将设备定义为4种角色，包括广播设备、观察设备、从机及主机．将心电无线检测终端的蓝牙模块定义为从机，负责发送数据报，响应智能健康手机发起的连接．因此，首先应进行初始化设置来定义设备角色．无论主机或是从机还应进行蓝牙通信的连接参数配置，具体参数包括通信间隙、从机忽略、最大等待时间等．

蓝牙设备之间的连接过程需要由主机发起，从机接受，双方确认连接参数后即可确立连接实现数据通信．为了让主机知道从机是一个请求连接的设备，首先从机需要发送一个数据报，报文内容包含设备地址和一些其它的设备相关信息，如设备名称等；然后由主机发送“扫描请求”，从机应答并回复“扫描回应”；主机收到应答后再发送“连接请求”，从机应答并回复“连接回应”．这样，心电检测模块和智能健康手机的蓝牙模块就完成了握手连接．

GAP层蓝牙设备建立连接的函数调用流程如下：首先主机扫描外围设备，在收到包含从机参数的SCAN-RSP数据包后，进行设备的初始化设置；然后主机调用 API函数GAP_DeviceDiscovery Request()实现设备发现，过滤SCAN-RSP类型的设备参数；主机完成设备发现后，获得通过参数过滤的数据，调用 API函数GAP_ EstablishLinkRequest（）启动与从机设备的连接．

图4 低功耗蓝牙软件结构图

通过配对实现了低功耗蓝牙协议的数据安全功能．设备建立连接后，主机与从机进行配对，具体过程如下：从机申请密钥口令以便进行配对，主机发送密钥给从机，两设备交换密钥并加密认证链接．对于长期建立连接的设备可以通过绑定bonding来快速完成配对，以保证数据安全．

3.2 BLE-Stack GATT 层的应用

2个设备应用数据的通信是通过协议栈的GATT通用属性层实现的．

GATT共定义了两种角色，包括服务器设备和客户端设备，心电检测终端提供心电数据，因此定义为服务器并添加名为“心电仪”的服务，而智能健康手机则定义为客户端．

在 GAP层心电检测终端和智能手机已建立连接，在 GATT层，心电检测终端调用 API函数GAT_TServApp_RegisterService()建立一个新的服务“心电仪”，然后将包括服务类型、属性等服务参数的信息保存在一个属性表中．智能手机调用API函数 GATT_DiscPrimaryServiceByUUID()发现服务，调用GATT_ReadUsingCharUUID()来获取服务，从而完成心电数据传输．

3.3 操作系统抽象层OSAL的应用

蓝牙4.0协议栈内加入了一个经量级的操作系统OSAL，用来管理应用层软件中各种数据传输任务，完成任务的创建、调度、同步与互斥等多任务资源分配功能．对于不同优先级的任务采用抢占式任务调度策略，对于相同优先级的任务采用时分调度策略．

OSAL层通过事件驱动的轮询机制实现系统低功耗设计，完成各层初始化之后，系统便进入低功耗模式，并在后台轮询是否有事件发生，当有事件发生时，系统被唤醒，进而查找事件表和函数表并执行相应的事件处理函数，事件处理完成后返回低功耗模式重新进行事件轮询．

心电无线检测终端的功能是将心电数据从MSP430主处理模块采集并经过串口 RXT发送给CC2540模块，然后CC2540再通过蓝牙4.0协议发送至智能手机．CC2540的单片机软件设计需要包括串口接收功能和蓝牙收发功能．

OSAL的主程序工作流程大致分为初始化和启动任务轮循两个阶段，流程图如图5所示．首先，OSAL初始化主要包括初始化硬件资源和软件参数初始化．软件参数初始化包括一些变量、任务的事件表和函数表等数据结构的初始化，系统默认定义的任务包括LL、HAL、GAP、GATT、SM等BLE-Stack各层次的处理任务．用户自定义的任务有两个，一个是蓝牙收发数据任务BlueToothData，在该任务的初始化函数中配置GAP层的从机等参数特性、GATT的服务器等参数特性，设置一个操作系统虚拟层的SBP_START_DEVICE_EVT事件来触发GAP层连接配置初始化，即在事件处理函数中设置GAP功能使设备处于可发现状态，可以随时接收并响应主机的扫描请求和连接请求以建立连接．另一个自定义任务是串口接收数据UartData，在该任务初始化中进行串口资源的初始化，包括波特率设置为115200bps、开串口中断．初始化硬件资源主要包括对中断系统、内存空间等内置及外设资源的初始化．

在各项初始化完成后，系统执行osal-start-system ()函数启动OSAL系统，轮询任务表．当检测到串口中断事件，则调度任务Task_UartData，并调用BLE-Stack已实现的串口读数据函数HulUARTRead()，读入心电数据，并设置UartDataEvent事件．当 OSAL系统检测到任务Task_BlueToothDat的事件 UartDataEvent，则调度Task_BlueToothDat任务，将串口接收的心电数据通过蓝牙协议发送出去．

图5 系统主程序工作流程

4 智能健康手机

智能健康手机通过用户层协议命令启动心电数据的采集功能，采集1段连续的数据后，则进行信号处理、存储、显示，通过3G移动通信网络发送到远端健康档案管理平台，实现医患交互式移动医疗服务．主要包括蓝牙通信模块、信号处理模块、界面显示模块和3G传输模块[4]．

蓝牙通信模块主要负责建立与心电无线检测终端的连接，并通过建立蓝牙Socket 通信连接来接收心电数据．首先需要在AndroidManifest.xml中声明蓝牙权限；然后获取蓝牙适配器并开启蓝牙功能；打开本机蓝牙，在已经配对的蓝牙设备当中查找，如没有搜寻到心电无线检测终端设备则搜索寻找新的蓝牙设备；设置蓝牙设备的底层通信功能，建立蓝牙连接，使用自定义的通信协议完成心电数据的收发．心电数据的收发是逐段完成的，由智能健康手机发出请求数据命令，心电无线监测终端响应并传输心电数据，每段2分钟的连续采样．如果2分钟数据不足，可重复发出请求命令并获取数据，此应用层协议设计既能满足典型数据的连续采集，又能避免长期采样无效数据导致的流量损耗．

信号处理模块对于接收的心电数据进行实时滤波预处理，并提取波形特征，计算心率参数．采用时域、频域相结合的分析方法，引入移动窗口积分法增强QRS波形．采用整系数带通滤波的梳妆滤波器增强QRS，然后五点微分进一步削弱P波和T波，最后通过平方积分增强QRS复波能量，这样，结合积分波形和原始心电信号就可以准确定位R波，大量实验证明该算法对于高幅度和长间期的QRS适用性好，计算心率准确率达99%[5]．

界面显示模块在智能健康手机显示心电图和心率参数．考虑到要发送的信息需具有准确性、实时性和高效性，因此，待接收的心电信号平稳后点击发送按钮，即可切换入3G传输模块，通过移动通信传输介质实现心电信号的实时传输，用户在数据传输完毕后，按照提示信息录入用户基本信息.这样，用户的健康参数即可在远端的健康档案管理平台服务器中建立数据库记录，方便医生的查询诊断，并以短信的形式反馈诊断意见到用户的智能健康手机．

图6 系统运行界面

5 结 论

本文针对当前国内外家庭健康医疗系统中存在的应用需求，结合最新科技成果，提出一种新的解决方案——基于蓝牙 4.0BLE的无线心电监测系统．系统充分利用MSP430FG439片上运放资源，CC2540片上系统传输便捷和低功耗特性，将智能手机作为系统通信网关，开发通用标准化应用软件，利用3G移动通信网络可以方便地将用户心电数据传输到远端医生诊台，使用户随时随地可以得到及时、有效、专业的医疗诊断和治疗建议，从而大大提高医疗服务水平．

[1] 贾雪琴，包建军，李建功．物联网在智能心电监护上的应用[J]．信息通信技术，2010（4）：24-27．

[2] 李远，蒋稼欢，章毅，等．基于JAVA手机便携式心电监护分析仪的ECG信号采集模块设计[J]．医疗卫生装备，2011，32（1）：18-22．

[3] 钱志鸿，刘丹．蓝牙技术数据传输综述[J]．通信学报，2012，31（4）：143-151．

[4] 张莉，周子龙．基于 Android智能手机平台的便携式心电监护仪的设计[J]．中南民族大学学报（自然科学版），2012，31（4）：88-92．

[5] 侯立亚，吴水才，白燕萍．嵌入式心电监护仪的研制[J]．北京生物医学工程，2005，24（6）：418-420．

Wireless ECG Monitoring System Based on Bluetooth 4.0

CHAI Jihong, YANG Hongli

（School of Electronic and Communication Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

In order to realize fast and real-time interactive ECG monitoring for disease detection and control, a wireless ECG monitoring system solution based on the platform of Android is presented in this paper. The monitoring terminal is designed by MSP430 to achieve ECG signal acquisition, amplification and A/D conversion. CC2540 with low-power Bluetooth 4.0 BLE-Stack is also adopted. The system can transmit wireless ECG data from the monitoring terminal to the smart phone, which is ultimately transmitted to the health records management platform of remote doctors via 3G mobile communication networks, thus offering an interactive mobile health service.

ECG monitoring; Bluetooth; telemedicine; CC2540

TP311

A

1672-0318（2014）05-0016-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 004

2014-06-10

*项目来源：深圳职业技术学院校级一般科研项目资助（2213K3180033）

柴继红（1979-），女，河南人，副教授，主要研究方向为医疗信息应用及嵌入式系统开发．杨宏丽（1970-），女，河北人，副教授，主要研究方向为嵌入式系统开发．