超低功耗无线传感心电信息监控系统设计

吕海洋, 张鹏辉, 邓建国, 王中方

(西安交通大学 电子与信息工程学院,陕西 西安 710049)

0 引 言

随着医疗水平与信息技术的不断发展以及人口的老龄化，传统以治疗为主的医疗模式逐渐转向以预防为主的新型模式。建立起以医院为中心，社区家庭、个人为节点的远程监护网络的需求日益增加。伴随着物联网的发展、网络的普及以及成熟的嵌入式微电子技术，基于物联网技术的面向家庭个人的小型化低成本低功耗的无线传感生命信息采集监控系统的实现成为可能。

目前已有的面向个人的系统大部分只是简单的检测用户心电特征，不能有效地利用网络进行远程监护，并不能做到有效地防护；而有部分远程监护系统利用ZigBee、蓝牙等无线协议网络实现数据传输和监护，但是由于协议过于复杂，而且功耗高，因此在成本功耗方面实现开发并不如人意。另外目前在已有的系统中面向大部分群体的界面直观、操作简单的PC和移动终端应用程序的缺失给信息时代用户的使用也带来了极大的不便。

本文所述系统的采集处理电路采用超低功耗处理器以及在数据发送发面采用功耗和成本远低于低功耗ZigBee协议的ANT协议，使整个系统功耗和成本大大地降低，增加该便携式系统的使用时间。而且随着目前家用PC和移动Android蓝牙终端的不断普及，开发了界面直观操作简单的应用软件端，使该系统更容易被各类用户接受和方便使用。使用户在平时准确直观地掌握自己的健康状况，并且在发生危险和异常的时候发出报警及时通知医疗中心进行救护和治疗。本系统还能够即时记录异常数据信息，提供医院在平时所不能获取的信息协助医生进行准确的诊断和救治。患者也能使用个人PC和手机应用随时随地方便地记录、查询自己的健康情况。

1 系统总体结构

系统总体结构框图如图1所示，包括前端信号调理处理和ANT无线发送电路、搭载有ANT_USB接收模块的个人PC终端上位机应用、ANT到蓝牙协议转换模块以及移动Android终端应用。

图1 系统总体框图

本系统首先通过调理电路将连接在肢体或胸部的导联电极采集的心电信号进行滤波放大，主控微处理器的AD转换器采集调理后的生命信息信号并进行初步分析处理和危急特征提取。微处理器根据初步分析处理的结果，按照不同模式通过以SPI同步串行接口连接的ANT无线发送模块发送数据。接收端为搭载有ANT_USB接收模块的PC机和移动Android终端。移动Android终端需要通过便携式ANT转蓝牙模块来接收生命信息数据。当PC上位机或Android监控终端接收到数据之后，数据管理与诊断分析程序显示出实时心电图和心率信息并进行疾病的诊断，显示诊断结果。当发现异常时，发出警报并可将结果通过TCP/IP网络或移动互联网发送至远程医疗中心。

由于前端信号调理电路不是本文对系统设计所要重点阐述的部分，所以本文主要对数据的处理、无线收发软硬件设计和终端应用程序设计做介绍。

2 无线ANT协议及前端软件设计

2.1 无线ANT协议介绍及模式选择

本系统无线传输采用挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片为基础构建无线ANT网络模块。目前无线传输技术有ZigBee、WIFI、Bluetooth等，但通过对比这些比较成熟的协议中ANT和ZigBee协议在功耗和开发成本方面更有优势，而ANT协议芯片的功耗更是比ZigBee协议芯片低，仅用一块纽扣电池的工作寿命是ZigBee的5倍以上。在开发成本方面，ANT对控制器的资源要求只是ZigBee的1/5,因此为了进一步的降低成本和功耗，本系统采用ANT协议作为无线收发协议。挪威Nordic公司的NRF24AP2芯片已经集成了ANT协议栈。ANT与ZigBee协议的参数对比如表1所示。从表中可以看出ANT在开发成本和功耗性能等方面远远低于ZigBee[1]。

表1 ANT与ZigBee协议参数对比

在PC端采用集成NRF24AP2芯片和USB接口的AP3000模块[2]作为无线接收模块进行数据接收。

ANT协议有三种数据发送模式，分别为广播模式、应答模式、突发模式。本发明中为了将经过分析处理的数据既能正确，又能节约能耗地发送给接收端，采用不同模式发送不同数据。采用应答数据模式发送采集到的原始数据，供上位机画出心电图以及数据进一步分析使用；采用突发模式发送经过微处理器计算处理后的结果，如心率值、RR间期以及本系统为其他生命特征参数(体温、血氧饱和度等)预留数据位；由于本模块采用同步模式进行数据发送，因此在有效数据发送的间期采用广播模式发送数据维持通道的同步。

2.2 MCU处理控制与无线ANT发送软件设计

本发明中采用TI公司MSP430G2553超低功耗微处理器构建中心处理单元[2]。MSP430单片机在低功耗方面表现出色，支持快速休眠，大量节省系统能耗，并且在恶劣条件下工作性能稳定[3-4]。所采用的G2553型号加载有自主设计的危急特征提取算法，能够满足设计的需求。

图2所示为前端节点各模块连接图，图3所示为前端节点控制软件流程图。主要过程为在信号调理电路预处理心电模拟信号之后，超低功耗微处理器MSP430通过内置的10位AD转换模块(采样精度为3 mV)对模拟数据进行采集和转换，采样周期为5 ms，并将转换后的数据取高8位后放入接收无线发送缓存和特征诊断缓存。其中为了让采集到的数据能够及时通过ANT无线通信协议发出去，设置ANT通道速率为50 Hz即以400 Byte/s的速率(数据转换速率为200

图2 前端节点模块连接图

图3 前端节点控制软件流程图

Byte/s)将数据送入无线通道进行传输。而且无线发送缓存采用双8 Byte缓存，当前一个缓存满时就将标志位置1，并将缓存数据通过ANT协议应答模式发出标志位置0，当后一个缓存满时标志位置2并将缓存数据通过应答发出标志位置0。

如图4所示为适应MSP430G2553微处理器的内部资源节约成本而设计的心电特征诊断软件程序流程图。主要思想是当特征诊断200 Byte缓存满时，对所存储数据取最大值也即心电信号R峰附近的最大值，将该值减去10作为R峰探测的阈值对后面采集的数据进行探测，并且每5 min更新一次特征诊断200 Byte缓存并重新确定一次阈值，避免个体差异等多方面的影响。获取阈值之后，每次转换完成数据与阈值进行比较，若大于阈值然后将计数标志置0，等到后续检测到连续100个左右数据小于阈值则表明刚才检测到的是一个R峰，将心跳计数beat+1，当beat等于3时，用三次心跳采样的数据数计算出平均心跳率heartrate=36 000/pulseperiod和RR间期并进一步进行诊断，并将计算得到的心率值heartrate和RR间期通过ANT协议突发模式发送出去[5-7]。

图4 心电特征诊断软件流程图

由于本模块采用同步模式进行数据发送，因此在分别采用应答和突发模式发送原始心电数据和计算的诊断数据的空闲间隙采用广播模式发送数据维持通道的同步。

MCU与无线ANT模块之间采用SPI同步串行接口连接。其中ANT无线模块配置为SPI主机模式，MSP430处理器配置为SPI从机模式。

ANT协议通信软件的设计如下：

应用层：实现状态机设置和维持ANT 通道，数据收发以及控制。

接口层：解释应用层到ANT消息的函数调用，使用串行端口驱动程序来与ANT交换消息。

串行端口驱动：实现ANT字节同步，直接在硬件上对接口进行操作；其过程如图5所示。

整个ANT协议通信的主要功能如图6所示[8]。

3 ANT转蓝牙模块的软硬件设计

3.1 ANT转蓝牙模块的硬件设计与实现

由于手机等移动终端一般配置有蓝牙装置，而蓝牙设备成本和功耗都远大于ANT，因此为了节约前端节点的成本和功耗，同时为了在手机等移动终端使用该系统，在数据发送至手机之前采用ANT到蓝牙的协议转换模块，利用该数据中继转换模块既可以和搭载有蓝牙的移动设备很好的配对又可以极大的降低前端设备的成本和功耗，进而降低整个系统的成本和功耗。而且蓝牙硬件设计和软件协议都相当成熟，传输效果稳定，开发方便。

图5 同步串行通信控制图

图6 ANT通信软件主要功能

如图7所示为ANT与蓝牙协议数据转换模块连接图，其中ANT无线发送模块AP2000[9]与MSP430微处理器之间依然采用SPI同步串行接口连接，AP2000配置为主机，微处理器配置为从机。MSP430与蓝牙模块HC-05通过异步串行接口UART连接。数据通过MSP430处理器进行转发。

图7 协议转换模块连接图

经过设计加工制作，本系统协议转换模块的整体大小仅为20 mm×25 mm，可以方便地戴于手腕等部位，方便携带使用。

3.2 ANT转蓝牙模块的软件设计

图8所示为协议转换模块软件流程图。

该系统中终端Android移动设备，通过应用程序配置打开蓝牙并接受数据转发模块数据，并进行进一步分析处理之后进行显示和诊断，在发现异常时发出报警信号将数据在应用端通过移动互联网传送至远程医疗中心。

图8 协议转换软件流程图

4 PC端上位机应用程序软件设计

在PC端基于.NET4.0平台和C#语言编写了上位机软件，并采用ADO.NET数据库访问技术，通过用户的简单操作将用户的个人信息存入Microsoft SQL Server 数据库中。应用程序在通过ANT_USB接收到信息之后实时的画出用户的心电图、显示诊断结果并将结果和有问题的数据自动的保存到数据库中以供用户查询；在检测到异常情况时，能发生报警提醒用户，用户在软件端可以通过简单的操作和远程医疗监控中心进行通信，让医生进行诊断[10-13]。

应用软件的工作过程为：启动应用程序之后，用户输入个人信息，在输入完毕之后，程序通过.NET Framework数据提供程序Connection对象连接Microsoft SQL Server数据库文件，并通过Command对象将用户信息写入该文件中供以后查询；在用户输入完毕点击启动系统后接收模块开启通道进行数据接收，在收到数据时，将数据存入接收缓存，并在接收缓存收满数据之后调用库中画图函数画出实时心电图，之后每次收到新数据都依次放入接收缓存，并从存放位置开始循环到最后存放位置前画出心电图，这样就可画出实时动态的心电图；同时将心电分析结果显示在软件中和通过连接数据库记入数据库。用户可以随时查询记录的信息和数据分析结果，查询过程是在用户点击查询记录按钮之后，软件通过Connection对象连接数据库，通过DataSet(数据集)对象在内存中创建临时数据库并通过DataAdapter对象将数据存放数据库文件内容复制一份进入临时数据库dataset中，在用户选择主要查询条件如时间、姓名、心律状态等关键信息之后，系统自动将与查询条件相匹配的数据显示在绑定的控件上。

5 Android移动终端软件设计

Android手机终端软件的设计思想基本与PC端上位机软件一样，主要不同的有终端通过打开内置蓝牙模块与数据发送端蓝牙进行设备的配对，在配对成功之后可以接收到数据发送端发送的数据，并通过基于Android平台设计应用软件，显示心电信息。

基于Eclipse 集成开发编译环境和SDK(Android软件开发工具包) ADT( Android开发工具)JDK(JAVA编译软件)开发应用软件[14-15]。打开应用软件之后通过提示打开终端硬件配置的蓝牙，并搜寻周围蓝牙设备，搜到目标设备并进行配对之后，可以接收数据发送端蓝牙发送的数据信息，并将数据存入接收缓存，进行处理和解码转换之后将数据通过描点画图画出实时心电图，并预留接口为后续的数据处理和网络应用做准备。

6 结 语

本文介绍了超低功耗无线传感心电信息监控系统设计与实现过程，包括系统的总体设计以及各个模块的软硬件设计过程和主要实现方法。

本系统通过物联网技术将生命信息调理电路、低功耗数据处理模块、ANT无线传输模块、协议转换模块、PC上位机、Android终端应用和远程医疗中心联系起来，形成一个新的个人健康监护系统结构，并且功耗小成本低而且整套系统操作方便简单。

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