基于物联网的心电检测系统的设计

张朝福

（苏州德品医疗科技股份有限公司，江苏苏州，215000）

1 Zigbee技术简介

Zigbee是一种比较稳定技术。可以在近距离上实现双向无线通讯技术，它复杂度低，功耗低，速度慢，成本低等特点。它应用于短距离不同电子设备之间。Zigbee一般在2.4 GHz，868MHz以及915MHz3个频段上使用。它们的传输速率分别是250kbit/s，20kbit/s以及40kbit/s。而且ZigBee是一种手拉手的多跳的通讯协议，所以它的传输距离可以一直增加。ZigBee的功耗十分的低。其通信延迟也很短，搜索设备的延迟为30毫秒，睡眠激活的延迟为15毫秒。有源器件的访问延迟为15ms，所以ZigBee技术一般用于一些无线采集和控制地方。ZigBee有非常大的网络通讯容量。ZigBee的可靠性和安全性也非常高，它采用了防撞策略，同时也为所需的固定带宽服务留下了空白。ZigBee为了确保数据的正确性，所以它采用利用基于循环冗余校验（CRC）。

2 系统设计

2.1 系统结构

该设计主要由AD8232心电采集传感器模块，CC2530 ZigBee模块和护士终端设备组成。其系统结构如图1所示，每个病房都有一个心电图采集端，心电图采集端和ZigBee节点连接，在楼道里每隔一段距离有一些ZigBee节点。心电图采集端把采集到的心电图数据传给CC2530 ZigBee节点，然后通过ZigBee其他节点多跳或直接把数据发送给ZigBee终端，ZigBee终端再使用串口把数据传给护士终端。护士可以看到护士站每个病房的情况。

2.2 心电图信号采集

心电信号很微弱但是可以从人体直接采集。在人的身体表面相对应的位置粘贴电极片，然后通过导线收到心电信号。在医学中常见的有十二个导联和四肢导联，本文采用的是肢体导联，它需要三个电极，通过不同的位置测得三个不同的电势差，导联I是左右手臂之间的电势差，导联Ⅱ是由手臂和腿部之间测得的电势差，导联III是左臂和腿之间的潜在差异。并且通过公式（1）（2）（3）可以得到导联之间的电势差关系。

通过公式（1）可以得到导联Ⅱ的电势差。

通过公式（2）可以得到导联III的电势差

运用以上导电联之间的关系进行算法运算，在软件程序中进行实施，最终得到项目需要的结果。

图1 系统结构

图2 心电图采集电路

2.3 心电图采集电路设计

AD8232是一款用于ECG以生物电信号的模块，它使用了双极点高通滤波器，是为了用来消除运动伪影和电极半电池电位。可用于驱动应用，如右腿驱动（RLD）。AD8232还拥有快速还原的功能，这样可以可减少高通滤波器的使用时间。

通过两跨导放大器，一个直流阻塞放大器以及一个由C1和运算放大器组成的积分器组成一个仪表放大器。在跨导放大器GM2的输入端可以出现相等大小的电压时，就说明达反馈要求，从而能够匹配GM1产生的电流。该电流由电容器C1积分，并且所得的结果会出现输出端。

如图2所示的电路为本方案的心电图采集电路。AD8232具有三极接口，带有高通滤波器，双极点低通滤波器，截止频率为37Hz。

2.4 ZigBee外围电路设计

图3 CC2530电路图

心电图的采集以及各个节点都采用基于CC2530的ZigBee模块。CC2530芯片的内核是51内核。它还包含一个调试接口，用来内电路的调试，使用这个调试接口，可以擦出FLASH，停止和执行用户程序，以及控制和使能振荡器，还可以用来执行8051的各种指令，设置断点以，而且还可以用来代码的单步调试。它还有五个计时器。定时器2是MAC定时器。还有一个睡眠定时器，用来低功耗使用的。CC2530还拥有2个12位的分辨率的ADC，支持30kHz或者4kHz的带宽。模块的电路图如图3所示。

3 系统软件设计

本文主要是对心电图采集端流程图和护士端流程图进行介绍。心电图流程图如图4所示。

ZigBee模块首先初始化时钟，然后由于AD8232的位模拟输出而初始化外设ADC。然后CC2530采集AD8232采集到的数据，最后通过其他节点多跳或者直接单跳发送到护士终端。

数据接收端采用的也是CC2530 ZigBee模块，所以系统首先进行时钟初始化，然后就可以等待接收数据，接收到的数据后进行绘制心电图。 护士就可以根据心电图对病人做出快速的反应了。

图4 心电图流程图

4 系统调试

如表1所示，表内是模拟测试的10次测试结果，通过表中数据可以看出，病人的心率是否正常。表中第一个行为测试的序列号，第二个行为心率，单位是秒/分钟，第三个行为状态。 如表所示，第1，2，3，4，5，7，8，10测试次为人体平静状态下检测的数剧， 都符合标准，第6，7，9测试次为人体刚运动后检测得到的数据， 比正常的心率要高，并且状态都为异常。

表1 心率测试结果

5 总结

本系统是将心电图数据通过ZigBee无线网络将数据传送到护士站，使用本套系统，可以很大程度上降低成本。这样不仅减少了护士的工作量，而且还可以最大程度上的保障了病人的生命安全，作为物联网技术，ZigBee技术项目后期还将楼宇智能和家庭系统控制方面进行应用实施。