无线功率优化的穿戴式人体健康监护系统设计

(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

无线功率优化的穿戴式人体健康监护系统设计

吉奕

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

传统的可穿戴式健康监护终端多采用恒定的无线发射电平，普遍存在较为严重的功耗问题;研制了以MSP430F149微控制器和低功耗蓝牙通信为核心的人体监护终端，能在不同环境下无创、实时监测和记录人体心电、血氧、血压等特征数据；采用改进的无线功率调控方案优化无线通信和数据传输，以最优服务质量QoS、信号强度RSSI和最小误包率PER为指标，优化监护终端的功率消耗;测试结果表明，监护终端功耗差别不超过1.58 mW时，改进的无线功率调控方案具有更强的信号强度RSSI和更小的误包率PER。

穿戴式健康监护系统；无线发射功率；功耗优化；信号强度；蓝牙

0 引言

随着无线通信和传感技术的发展，穿戴式系统逐渐成为监护管理人体健康、监测生理特征状态参数的重要途径。在不同环境中，穿戴式监护系统能无创实时采集人体心电、血氧、血压等生命特征数据[1]，借助无线传输建立与个人健康服务管理平台间的联系，进而评估、诊断人体的健康状态，以预防某些疾病的发生。但实际使用时，穿戴设备的无线传输存在较为明显的功耗问题[2]，且需要在复杂的时、空域 电磁噪声背景下监测微弱的生理信号，极易造成被测数据的误码误包，影响穿戴设备的使用性能。因此，在保证无线传输服务质量QoS和低误码误包率的前提下，优化穿戴设备的无线发射功率具有重要的现实意义。

目前，对终端无线发射功率的优化主要以通信服务质量QoS为目标，借助关于提高数据包传输效率的门限窗[3]、等误比特率假设[4]、路径损耗估计[5-6]、误包率最小模型[7-8]等算法，进而实时调控和优化监护设备的无线发射功率。但这些算法需要在不同时域和空域电磁噪声环境下反复调试，开发周期较长，且优化带来的费效问题显著，不适于控制穿戴式监护设备的研发成本。

针对上述问题，本文以MSP430F149为核心设计发射功率可调控的穿戴式健康监护系统，应用改进的最优发射功率调控方案解决无线传输时监护终端存在的功耗问题。在保证无线传输服务质量QoS、信号传输强度RSSI和最小误码误包率PER的前提下，优化穿戴设备的无线发射功率，便于延长监护系统的服役寿命。

1 总体设计

穿戴式健康监护系统主要由穿戴设备、智能手机和远程健康管理服务器等部分组成，其总体结构如图1。穿戴设备包含功能独立的人体生理参数监测模块，在头、胸和手腕等部位布置的传感器节点采集血氧、心电ECG和血压等生理信号。监测的生理特征经监护终端控制器的滤波、放大以及个人局域网PAN内有效的蓝牙无线通信，将监测数据传送到具有蓝牙协议BLE的用户智能手机等终端设备上，再利用智能设备的GPRS通信功能，将用户终端接入到远程健康服务平台，实时交互与人体健康相关的生理特征参数，反馈表征生理特征的健康状态，从而实现对用户身体健康状态的远程监护和管理。

图1 系统总体结构示意图

2 系统硬件设计

2.1 主电路设计

穿戴式健康监护系统主电路以应用灵活、体积小、功耗低和性价比优越的MSP430F149微处理器为控制核心，其工作电压为1.8～3.6 V，正常运行功耗约0.29 mA，支持多种低功耗运行模式。MSP430微控制器具有先进的RISC技术，可通过直接内存存储提高微处理器的处理效率。MSP430外部配置穿戴式健康监护终端的最小系统，包括供电电源(5 V/3.3 VDC)、晶振(8 MHz主时钟MLCK和32.768 kHz活动时钟ACLK)、复位电路、512 K闪存Flash和蓝牙通信BCM20730等模块，如图2。

图2 穿戴式健康监护系统主电路

微控制器MSP430的片上资源丰富，集成256 K闪存Flash、串口UART、调试接口JTAG等模块，其片上12位ADC适于测量生理特征电压等信号。主电路采用+5 V和+3.3 V的直流电源供电，通过4个控制位调节CPU和外部设备的时钟节拍，以支持微控制器的5种低功耗运行模式。芯片内置闪存Flash控制器，通过内部寄存器设定、写和擦除配置的512 K闪存AT25，以适应蓝牙间歇运行状态，且便于存储较大容量的生理监护数据。微控制器具有JTAG接口，允许对穿戴式健康监护终端进行调试。监护设备与用户低功耗BLE协议终端(智能手机)间的无线传输采用BCM20730蓝牙模块，发射功率为4 dBm或0 dBm，并通过UART口实现MSP430与蓝牙BCM20730模块之间的数据通信。

2.2 健康监护检测电路设计

2.2.1 血氧检测电路

血氧参数测量基于朗伯-比尔定律[9-10]，其基本原理是利用近红外600～1 000 nm波段的光波经颅骨或脑组织反射后，由光强频率转换为测量入射和反射光波的强度，再根据不同组织和结构的消光系数和光强吸收比率推算大脑的血氧饱和度。

血氧测量采用红外660 nm和940 nm波段发送-接收电路，其测量装置位于头部，红外发射器件为660/940 nm的SMT型双波长激光二极管LED，通过恒流型驱动芯片MBI5168控制，如图3，接收传感器为TSL237光电压转换元件，能将660 nm和940 nm两个波长的反射光强转化为电压信号输入到穿戴式监护终端的MSP430主控制器。

图3 血氧检测驱动

2.2.2 心电ECG监测电路

心电ECG信号有效监测的频率范围约为0.05～100 Hz[11]。心电测量电路如图4所示，系统采用集成型的单导芯片AD8232。其中，2个医用电极一上、一下分别置于心脏两侧，电极采集的心电ECG信号输入到单导芯片AD8232的+IN和-IN两端口，且电极与AD8232间接线构成小型的共模电感，能有效抑制共模噪声对心电ECG信号的影响。

图4 ECG检测电路

2.2.3 血压监测电路

血压参数的测量采用集成信号调理、补偿、放大和驱动控制模块为一体的MPX5050 GP传感芯片，监测部位为手腕部，芯片输出电压0.2～4.7 V对应0～50 kPa的压力信号，再经RC滤波、差分放大和穿戴式监护终端控制器MSP430处理转化为0～375 mmHg血压值，如图5所示。

图5 血压检测电路

3 系统软件开发

3.1 蓝牙通信与数据传输

穿戴式监护终端数据传输和无线通信选用AFH自适应快速跳频模块BCM20730，交替使用不同无线技术以提高信息传输速率，通过加强的功率控制EPC、单向广播减少逻辑链路和协议配置流程，由协议栈对数据传输任务配置适当的射频输出，进而降低空闲状态的无线功率电平、节省电能损耗。

标准的蓝牙通信数据帧格式如图6。访问码标识数据帧，可用于同步穿戴式监护终端和智能手机(远程健康管理平台)间的监护参数。链路控制信道信息映射到对应的分组头内，包含成员地址、数据类型、流控方式、自动重传请求、序列号和错误校验等位[12]。净荷含有需要传输的有效数据，主要将穿戴式监护终端监测的人体生理参数转发传输到智能手机上。

图6 标准的蓝牙数据帧

自适应快速跳频AFH主要用于周期性判定蓝牙传输信道数据的通信服务质量QoS，以便于优选无线收发信道，避免通信干扰。最优通信信道的建立依靠穿戴式监护终端和智能手机间的寻呼扫描过程，即接收端(智能手机)按地址标识符ID寻呼发射端(穿戴式终端)，对应发射端应答回复DAC后，接收端响应发出调频数据包以建立传输信道。

蓝牙模块BCM20730的初始化、空闲、运行等工作模式依靠微控制器MSP430对UART串口的控制。其中，对BCM20730的初始化设置波特率为9 600，数据格式包括1个起始位、8个数据位和1个停止位，其代码程序如下：

void UART_Init(void)

{

P9OUT&=～BIT6;

UCA2CTL1|=UCSWRST; //串口复位

UCA2CTL1|=UCSSEL0; //串口时钟选择活动时钟ACLK

UCA2CTL0&=～UC7BIT; //8位数据传输

UCA2BR0=0x03;

UCA2BR1=0x00;

UCA2MCTL=0x06; //波特率设为9600

UCA2CTL1&=～UCSWRST; //清除串口的复位标志

UCA2IE|=UCRXIE; //串口接收中断使能

__bis_SR_register(GIE); //使能中断

P9OUT|=BIT6;

}

BCM20730初始化后，蓝牙模块继续接收穿戴式监护终端控制器MSP430的确认指令，蓝牙模块由初始化转为空闲工作模式。当监护终端需要与智能手机交互数据时，BCM20730进入运行工作模式，其与人体生理特征相关的监护参数通过函数void pack_message(uchar *)打包发送。

3.2 无线发射功率优化改进

蓝牙模块BCM20730具有4 dBm和0 dBm两级发射功率，可根据穿戴式监护终端和智能手机间的有效距离d优化终端的无线发射功率P(dBm)。在实际应用时，接收端的信号强度RSSI与有效距离d满足关系式：

(1)

式中，A为有效距离d=1 m时的接收信号强度(dBm)；n为衰减系数。显然，若式(1)信号强度RSSI推算的有效距离d<10 m时，发射功率的最小值Pmin设定为0 dBm；反之，Pmin设为4 dBm，以保证监护终端与智能手机间无线通信正常。传统的发射功率最小值Pmin主要取决于式(1)推算的有效距离d。但发射功率的最小值Pmin是否最优仍存在歧义：

1)受时空环境内复杂电磁噪声、空间障碍物和相对位置等因素影响，当有效距离d<10 m时，式(1)推算规定的最小发射功率0 dBm并不能保证误码误包率PER最低；

2)蓝牙通信时，主控制器MSP430需要频繁推算有效距离d，即便能使无线发射功率降低，但也会增加整体监护设备的功耗，降低终端的服役寿命。

因此，对于穿戴式监护终端与智能手机间的蓝牙通信，要求终端发射功率不低于式(1)规定的Pmin，且需要综合考虑接收端信号强度RSSI、误码误包率PER和设备功耗等问题。

监护终端的发射功率P(dBm)与有效距离d、蓝牙功放增益G和无线数传速率Rb有关[13-14]。减小功放增益G和数传速率Rb可降低穿戴式终端的无线发射功率，但功放增益G的降低会影响误码误包率PER，容易造成无线接收失误。而考虑式(1)规定的有效距离d，可通过监控信号强度RSSI、调整功放增益G和速率Rb减少蓝牙BCM20730在空闲状态发射功率损耗。改进的最小发射功率Pmin满足关系式：

式中，G为误包率PER最低时蓝牙功放增益；Rb为数据传输速率(bps)。改进的最优发射功率调控流程如图7所示，具体步骤如下：

1)蓝牙自适应调频AFH周期性判定信道的通信质量QoS，选择最优的信道建立穿戴式监护终端和智能手机间发送-接收信道，进而保障穿戴式监护终端和智能手机间蓝牙通信服务质量QoS；

2)监测智能手机端接收到的信号强度RSSI，并将RSSI作为数据包净荷的有效数据传输到穿戴式监护终端；

3)穿戴式监护终端主控制器MSP430利用void unpack_message(uchar *)函数解包含RSSI的数据包，并以接收到的RSSI为指标，在蓝牙误码误包率PER最低的条件下，通过void handle_data(void)函数处理RSSI，优化减少监护终端蓝牙功放增益G；

4)重复2)～3)步骤，以智能手机端监测的误码误包率PER为数据包净荷有效数据，通过void handle_data(void)函数处理低PER和较强信号强度时蓝牙模块允许的最大传输速率Rb；

5)由式(2)、优化处理后的功放增益G和最大传输速率Rb推算改进后监护终端的最优发射功率Pmin，并利用逻辑电平控制穿戴式监护终端实际的功率输出。

图7 改进的发射功率调控流程

蓝牙模块BCM20730的发射功率调控依靠穿戴式监护终端主控制器MSP430的初始化配置，为蓝牙4 dBm和0 dBm两级发射功率提供逻辑电路电平。当改进的最优发射功率Pmin为0 dBm时，单步降低逻辑电平；反之，Pmin为4 dBm时，单步提高逻辑电平。所使用的逻辑电平程序代码如下：

void halBoardSetVCore(unsigned char level)

{

unsigned char actLevel;

if(Get_Device_Type() F5438A) // 在系统程序hal_tlv.c中定义

{

do {

actLevel = PMMCTL0_L & PMMCOREV_3;

if (actLevel < level) // 单步提高逻辑电路电平

halBoardSetVCoreUp(++actLevel);

if (actLevel > level) // 单步降低逻辑电路电平

halBoardSetVCoreDown(--actLevel);

}

while (actLevel != level);

}

}

4 测试结果分析

为验证改进后的穿戴式监护终端的无线发射功率优化效果，按不同有效距离d(0.5～14.5 m)分别在间隔0.5 m处设置对比，监测智能手机所接收的信号强度RSSI、误码误包率PER和监护终端整体的消耗功率，如图8所示。

图8 测试结果分析

在图8(a)中，随有效距离d增大(不超过14.5 m)，智能手机端的信号强度RSSI逐渐减小。改进前，按式(1)调控穿戴式监护终端的发射功率，对应的信号强度RSSI减小幅度大。当有效距离d=0.5 m时，RSSI接近-50 dBm，而有效距离d=10.5 m时，RSSI接近-80 dBm，随有效距离d增大，信号强度变化了30 dBm，即表征在有效距离d的远端，智能手机所接收的监护数据能力较差。而改进后终端发射功率按式(2)优化，其对应的信号强度RSSI变化较小，不超过10 dBm，基本能确保RSSI在[-59 dBm，-52 dBm]区间范围内。显然，改进后的蓝牙通信具有较强的被接收能力。

而图8(b)中，误码误包率PER与有效距离d关系不明确，当有效距离d≤3.5 m时，改进前、后无线通信的误码误包率PER差别不大。但随有效距离d继续增大，改进后的误码误包率PER最大不超过1.7%，而改进前PER在某些测试位置高达6%，进一步表明改进后蓝牙通信具有更低的通信失误概率。

图8(c)中，随有效距离d增大，改进前、后监护终端消耗的功率都增加。但若考虑改进前、后监护终端需要满足相同的信号接收强度RSSI范围[-59 dBm，-52 dBm]、误码误包率PER不超过1.7%等要求，显然，要兼顾通信服务质量QoS，改进前监护终端需要附加额外的功率损耗，而改进后则可保证QoS，使监护系统具有更合理的发射功率输出。

综上对比分析，改进后监护终端消耗功率更合理，能使穿戴式监护终端和智能手机间具有更高的信号接收强度RSSI和更低的误码误包率PER。

5 结论

本文利用MSP430F149微控制器研制了一种能实时无创监测人体心电ECG、血氧、血压等生命特征参数的穿戴式监护终端，硬件采用发射功率可调的低功耗蓝牙模块BCM20730和自适应快速跳频AFH实现监护终端与智能手机间数据传输和无线通信。穿戴式监护终端采用改进的发射功率调控方案，以无线传输服务质量QoS、接收信号强度RSSL和最小误码误包率PER为指标，优化穿戴式监护终端的功率消耗，有效解决了蓝牙模块在空闲状态时的电能损耗等问题。经对比测试表明，在同等RSSL和PER指标条件下，改进后终端消耗功率优化显著。

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WearableSystemDesignforMonitoringPhysiologicalHealthwithWirelessTransmittingPowerOptimization

Ji Yi

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Traditional wearable health monitoring terminals have more serious power consumption problems in common, with a constant wireless emission level. The human monitoring terminal has been developed by MSP430F149 microcontroller and low-power Bluetooth communication, and non-invasive, real-time monitored, recorded human ECG, blood oxygen, blood pressure and other characteristic data in different environments. Wireless communication and data transmission has selected improved wireless power control program, and wireless transmitting power has been optimized with quality of service QoS, signal strength RSSI and the minimum packet error rate PER.Test results show that the improved wireless power control scheme has stronger signal strength RSSI and minimum packet error rate PER when monitoring terminals have consumed power less than 1.58 mW.

wearable health monitoring system; wireless transmitting power; power optimization; signal intensity; bluetooth

2017-04-08；

2017-05-21。

吉 奕(1981-)，男，江苏镇江人，讲师，主要从事射频系统开发、生物医学信号分析与处理等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0019-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.006

TP274

A