基于无线传感器网络的社区心电监护系统设计

李红利，刘元建，张荣华，柳 干，王舒欢，修春波

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

基于无线传感器网络的社区心电监护系统设计

李红利，刘元建，张荣华，柳 干，王舒欢，修春波

（天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

将无线传感器网络与传统心电监护系统相结合，以ZigBee和蓝牙无线通信技术为核心，提出了一种具有自动切换工作模式和自动诊断功能的无线社区心电监护系统，可以完成心电数据的自动采集、处理、在线诊断、异常报警与无线传输等功能.系统可以自动切换室内外工作状态，保证了24小时全天候监护，其自嵌的心电分析算法可以实时分析采集的心电信号，自动提取心电信号中的疾病特征与专家库中的信号进行对比，实现有关心脏疾病的自动诊断和报警.实验结果表明：所设计的社区心电监护系统，可以准确采集心电信号并诊断，将无线传感器网络应用在社区心电监护系统上，有利于对社区心脏疾病患者进行统一监护.

心电信号；无线传感器网络；监护系统；ZigBee；社区医疗

虽然社会的医疗水平不断提高，但是有些疾病的发病率却依然在增加，尤其是心脏疾病，其在中老年群体中的发病率一直居高不下；另外心脏疾病具有偶然性与突发性的特点也给心电监测带来了许多麻烦[1]，这使得全天候心电监护系统在临床应用和社区医疗方面具有非常重要的价值.由于传统的心电监护系统仪器体积比较大并使用有线传输方式[2]，移动不便，一般仅用于医院中，近年来快速发展的无线传感器网络技术可以有效解决这个问题.基于无线传感器网络的社区心电监护系统通过使用无线传输方式和集成片上系统使得心电设备变成了便携式仪器[3]，并在采集终端加入心电算法，可以识别采集到的人体心电信号是否异常.基于无线传感器网络的社区心电监护系统缩短了医患之间的距离，可以及时准确地监测患者的心电信号，不仅能够提高救治效率，还能减少患者往返医院的负担，充分为患者考虑，具有广阔的应用前景.本文将无线传感器网络与传统心电监护系统相结合，以ZigBee和蓝牙无线通信技术为核心，提出了一种具有自动切换工作模式和自动诊断功能的无线社区心电监护系统，可以完成心电数据的自动采集、处理、在线诊断、异常报警与无线传输等功能，从而改进社区心脏病患者的监护工作.

1 硬件设计

社区心电监护系统的总体方案如图1所示.

图1 系统总体方案图Fig.1 Overall scheme of system diagram

图1建立了一个全天候的社区心电监护网络[4].该网络有2种工作模式.模式一是Zigbee模式，当患者处于室内时，采用Zigbee和Wifi传输方式，终端采集到心电信号后与网关进行匹配绑定，通过Zigbee与Wifi协议的转换把信号经过无线路由传输到社区医疗中心的电脑上.模式二是蓝牙模式，当患者处于室外，终端搜索不到网关时，自动切换到蓝牙模式，经蓝牙与手机相连，通过手机把心电信号发送到社区医疗中心.

终端有正常工作模式和省电模式.省电模式就是如果终端检测到异常的心电则发出警报，并立刻把异常心电信号前后5 min分钟的心电信号传输到社区医疗中心，如果心电信号正常则不传输心电信号.省电模式减少了数据发送量，减轻了系统的负担，更降低了功耗.

1.1 心电信号采集电路设计

心电信号与其他的生物医学信号一样是一种非常微弱的信号[5]，其正常的幅值为0～4 mV，频率一般在0.05～100 Hz，因个人所处环境和个人身体状况不同而表现出较大的差异性.一般的心电采集电路通常是对心电信号放大1 000倍处理得到1 V左右的电压信号，然后在进行AD转换，这样做会把心电信号中的干扰信号也一起放大从而增大了误差.为了保证信号的原始性，本系统使用ADS1191芯片采集心电信号，其具有16位的Δ-∑模数转换器，可以不经放大处理得到原始的心电信号.

ADS1191具有低功耗、小尺寸等特点，并且使用起来也很简单，只需要使用主控芯片上的IO口模拟SPI总线即可与之通信.

1.2 无线传输电路设计

社区心电监护系统的主要部分是数据的无线传输[6]，本系统采用了多个无线传输方式的组合，一个是以CC2530芯片为核心的Zigbee-Wifi传输方式，在室内或公共场合安装Zigbee固定中转节点，当患者处于这些地方时，佩戴在其身上的终端会自动与这些节点配对连接，然后在通过Wifi把心电信号发送到社区监护中心.CC2530芯片是基于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案[7]，可以用很低的总成本建立非常强大的网络节点.

另一个是以CC2540芯片为核心的蓝牙-GSM传输方式，在室外搜索不到Zigbee节点时，终端自动转换到蓝牙模式与手机进行连接.CC2540是一款基于低功率蓝牙技术而设计的芯片，是一个超低功耗的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程序在一个元件上.CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB 2.0界面，内建AES-128加密引擎.

2 程序设计

2.1 无线传感器网络节点程序设计

基于Zigbee的无线传感器网络节点主要分为3个方面：终端节点、固定中转节点（也叫路由节点）和协调器节点.其软件设计也分为这3个方面：终端节点软件设计、中转节点软件设计和协调器节点软件设计[8].

终端节点在上电执行任务事件之前需要对其进行一些初始化设置，以保证设备的正常工作，之后终端节点会主动搜索协调器和中转节点进行组网.首先终端会对搜索到的协调器或中转节点发出绑定信号，若绑定完成发回标记信号，如果没有搜索到协调器或中转节点终端节点进入休眠状态并开启蓝牙.若绑定成功，可以开始接收协调器节点发来的指令，如无指令，终端节点进入休眠状态等待接收指令.当终端节点接收到采集心电信号指令后，先分析采集指令，开启心电采集系统采集患者心电数据并判断是否心电异常，将心电异常数据发送给协调器节点，由协调器节点作下一步操作，具体的流程如图2所示.

图2 协调器工作流程图Fig.2 Coordinator work flow chart

协调器节点的流程图基本与协调器相同，协调器节点上电初始化后，处理终端节点发来的绑定请求，协调器会开启允许绑定状态[9].因为在社区中患者的加入是无规律的，所以这里设置一直允许绑定.绑定请求处理完成后，发出采集指令，然后就等待接收终端节点采集的数据，接收到数据后协调器节点将数据通过Wifi上传到网络.

中转节点的软件流程基本跟终端节点没有差别，只是相对于终端节点加入了转发的功能，限于篇幅，这里就不赘述了.

2.2 社区心电监护界面的设计

在labview平台的基础上设计了社区心电监护系统的监护界面[10-11]，其不仅可以显示社区所有患者的心电情况并且会自动报警，在发生心电异常时可以及时通知医生做好急救工作，通过手机的GPS定位能知道患者的具体位置从而节约了救治时间，通过点击详情观察患者的心电情况从而可以及早的确定救治方案，监护界面如图3所示.

图3 社区心电监护界面Fig.3 Community ECG monitoring interface

3 实验结果及分析

图4所示为实际测得的患者心电信号.

图4 社区心电监护界面Fig.4 Community ECG monitoring interface

由图4结果可以看出该方案达到了预期设想，可以实时准确的采集人体心电信号，但同时也看出图中有信号的干扰，分析可得有以下几个方面.

（1）随机噪声.随机噪声由独立于系统外的其他不相干干扰源平稳随机产生的，该噪声因为随机性和不可控性会严重的影响测量结果的准确性，有些随机噪声的信号强度可能比被测信号大，跟被测信号叠加后把被测信号彻底的掩盖住.

（2）工频干扰，由生活环境中电子仪器工作时产生的电磁辐射.这里主要是指50Hz工频干扰.在采集系统工作时，50 Hz的工频干扰被一起采集，对被测信号产生了不利影响.其主要表现为心电信号带有“毛刺”.

由图4可知本系统的主要干扰信号就是工频干扰.为了消除这些干扰，可以采用自适应陷波器处理采集的信号，主要方法是利用SMM方法确定工频频率的具体频率，然后使用最小平方逼近准则设计可控通带增益的陷波器.经过滤波处理后，可以基本滤掉工频干扰[12].

4 结束语

本研究综合应用了心电检测技术和无限传感技术，设计了一种实用于现代化社区的心电监护系统.经测试，设计的心电监护系统可以实时准备的采集、显示患者心电信号并进行前期简单的检测报警，解决传统监护系统不能24小时实时监测问题.设计中采用的低功耗设计降低了终端数据发送功耗，利用智能手机的GPS定位功能可快速定位患者具体位置.该心电监护系统不但可以满足现代化社区心电监护的需要，也可以在医院和养老机构使用，为医生诊断病情提供依据.

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Design of community ECG monitoring system based on wireless sensor network

LI Hong-li，LIU Yuan-jian，ZHANG Rong-hua，LIU Gan，WANG Shu-huan，XIU Chun-bo
（School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Wireless sensor networks and traditional ECG monitoring system were combined with ZigBee and Bluetooth wireless communication technology as the core，a wireless community ECG system with an automatic switching mode and auto diagnostic functions was designed with the capabilities of ECG data automatic collection，processing，online diagnostics，error alarm and wireless transmision.The system can automatically switch the indoor and outdoor working conditions to ensure 24-hour care.The self ECG analysis algorithm embedded in the system can realive the real-time analysis of ECG data acquisition，and automatic extraction of ECG characteristics and comparing disease experts with the signal library achieve，automatic diagnosis of heart disease-related and alarm.Results show the designed community ECG monitoring system can accurately capture ECG and diagnosis. The applications of wireless sensor network in the community ECG monitoring system is beneficial for unified community care for patients with heart disease.

ECG；wireless sensor network；monitoring system；ZigBee；community health care

TP29

A

1671－024X（2015）01－0064－04

2014-10-29

国家自然科学基金（61203302）；天津市应用基础与前沿技术研究计划（14JCYBJC18900）

李红利（1978—），男，博士，副教授，研究方向为神经系统的非线性动力学分析.E-mail：lihongliln@163.com