基于nRF2401 的脉率监测系统设计

施纪红

(苏州健雄职业技术学院,江苏 太仓 215400)

0 引言

脉搏是动脉的搏动;脉率是每分钟脉搏的次数。脉率检查是血管是否正常的一项辅助检查方法。 在安静、清醒的情况下,正常成人的脉率为60～100 次/分。超过100 次/分,称为心动过速;低于60 次/分,称为心动过缓。 很多疾病都会导致脉率的变化,所以监测脉率可以辅助这些疾病的诊疗。

脉率监测目前主要有两种方式:一是通过大型的心电监护仪记录病人的生命体征的变化;这种方式数据详细,但成本高、不能推广到全部病床。 二是护士每天手工测量病人的血压和脉搏;这种方法成本小,但工作量大,并且数据不连贯,为后续治疗提供的帮助少,也不能在病人脉率发生异常时及时报警。

在物联网大数据时代,针对以上需求,本文设计了一套便携低成本的脉率监测系统。 该系统可以实时独立监测每个病人的脉率,通过nRF2401 无线通信技术在每个病房的OLED 屏上实时滚动显示每个床位的脉率信息。 同时也将每个病房的脉率信息上传并记录在护士站电脑中;护士可以远程监控全部病人的脉率信息,对脉率数据进行统计与分析,并有报警设置,能对突发情况进行报警。

1 系统整体设计

本系统检测终端数据量少且采用远程存储,所以检测端的MCU 选择性价比高的STC89C52 单片机。 在病房显示端和护士站考虑到后续的功能扩展和数据的临时存储,选择了STM32F103ZET6 芯片。 本系统设计了两层无线传输体系,均使用nRF2401 传输芯片。 第一层是病床采集端的52 单片机和病房数据显示端的STM32 单片机之间的无线数据传输。 第二层是病房数据显示端的STM32 单片机和护士站SMT32 单片机之间的无线数据传输。 最后通过USB-RS232 转接芯片将护士站收集的全部信息上传到PC 机中进行存储。通过上位机软件对数据信息分析[1]。 系统整体设计,如图1 所示。

图1 系统整体设计

2 系统硬件设计

2.1 脉率监测模块

基于单光束反射式光电传感器CT188 设计了脉率采集电路,如图2 所示。 当手指放在ST188 上,红外发光二极管发出的红外光照射到手指的脉搏血管,由于心脏跳动引起的手指内血管节奏性的充盈变化,使得反射的红外光强度随之变化,由光电三极管接收放大转换为不同的电压信号。 其中R2 的电阻值选择影响三极管感应红外光的灵敏度,此处选择470 欧姆。 转换后的电压经C1 隔直耦合到R5。 R3、C2 组成低通滤波器滤除高频干扰,C3、R4 进一步滤除残留的干扰。截止频率由C3、R4 决定。 信号经低通滤波后,送至由LM358 运放2IN(5 脚)。 运放LM358 将信号放大,放大倍数由R6 和R7 的比值决定。 经过LM358 放大后输出到LM358 的1IN-(2 脚)构成的比较器。 放大后的脉搏信号与电阻R8、R10 分压建立基准电压(1IN+3脚)比较后输出方波脉冲。 IOUT 最终送给单片机的中断引脚INT0。

图2 脉率采集电路

2.2 nRF2401 无线模块

射频nRF2401 功耗小、速率快,特别适用于数据量少,传感器布局相对集中,总体传输距离较近的场景。根据病区中每个病床的分布,本系统选择了nRF2401技术进行无线传输。 nRF2401 与单片机之间的连接如图3 所示。 NRF2401 的收发模式有Enhanced(增强型)ShockBurstTM 收发模式、ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式3 种。 本系统采用第一种收发模式。

图3 NRF2401 与单片机连线

2.2.1 脉率采集端发送模式

脉率采集端是一个发送端,向病房显示端发送采集到的脉率数据。 具体步骤是,采集端51 单片机先把自己的地址和要发送的数据按时序送入NRF24L01(此时NRF24L01 会自动加上字头和CRC 校验码);MCU配置CONFIG 寄存器,使NRF24L01 进入发送模式;MCU 将CE 置为高(至少10us),使之能发送;发射时先给射频前端供电,然后射频数据打包,高速发射数据包(这些均由NRF24L01 自动完成)。

2.2.2 病房显示端收发模式

病房显示端先是接受本病房脉率采集端发送来的脉率信息,并且本地显示出来。 接受工作流程是,病房显示端单片机先配置要接收的地址和要接收的数据包大小,进入接收模式;配置CONFIG 寄存器,使之进入接收模式;MCU 使CE 置高;200 us 后,NRF24L01 进入监视状态,等待数据包的到来;确认收到数据后,记录地址(接收地址与发送地址应该相同),接收端通过该地址发送ACK 应答信号。 在发送端,通道0 用作接收应答信号,一定要注意两端地址需相同,才能接收到正确的ACK 信号。 当接收到正确的数据包后,NRF24L01自动移去字头、地址和CRC 校验位;NRF24L01 通过把STATUS 寄存器的RX_DR 置位(STATUS 一般引起MCU 中断)通知MUC;MCU 把数据从FIFO 读出(0x61指令);所有数据读取完毕后,可清除STATUS 寄存器。

病房显示端同时也需要将收集到的本病房的脉率数据无线发射给护士站的STM32 单片机。 该过程与脉率采集端发送模式相似,不再赘述。

2.2.3 护士站接受模式

护士站STM32 单片机接受本楼层各个病房显示端单片机收集到的脉率数据,并对数据初步处理,对异常数据进行报警。 STM32 单片机和51 单片机在使用nRF24L01 时的区别主要是端口、时钟、中断的设置及初始化。 但是使用CubeMAX 大大简化了对STM32 芯片的配置工作,让工作重点放在了程序的编写上。

2.3 病房本地显示模块

显示模块选择的是UG-2864HSWEG01 进行仿真,其驱动芯片为SSD1306,使用IIC 工作模式。 该模式将BS0 与BS2 拉低, BS1 拉高。 D[0…7]是数据总线,按引脚描述,IIC 接口下D2 为SDAout,D1 为SDAin,D0为SCL 线。 D2 与D1 可直接相连,而且必须接上上拉电阻。 仿真效果如图4 所示。

图4 病房脉率显示仿真效果

2.4 USB-RS232 转接芯片的选择

USB 转串口芯片主要包括CH340 系列,CP2102/CP2103,FT232R,PL2303HX 等。 其中FT232 系列芯片稳定性是最好的,但是价格也最贵。 国产芯片CH340价格和稳定性上都不错。 本文选择了性价比最高CH340 芯片。 电路设计中CH340R 必须使用12MHz 的晶振,否则无法正常工作。

3 系统监控软件设计思路

3.1 脉率监测模块主程序

该模块主要做3 件事:(1)各种初始化(单片机/脉率采集器/无线模块初始化);(2)定时采集脉率信息;(3)接收到病房显示模块发送的中断请求后,将本模块ID 和测得的脉率数据无线发送给本病房显示模块。

3.2 病房本地显示模块主程序

该模块主要做4 件事:(1)预存本病房监测模块的ID 编号;(2)定时接收来自监测模块的脉率信息;(3)判断接收信息的正确性并显示;(4)上传接收到的脉率数据信息。 设计流程如下:单片机启动-＞系统时钟/DPIO 引脚初始化-＞显示功能模块初始化-＞无线模块初始化(预存本病房各个监测模块ID)-＞定时ID编号接收(包含了脉率信息)-＞判断接收数据是否正确-＞正确则在显示,不正确则再次接收-＞接收到护士站发送的中断请求后,将本模块ID 和收集的本病房的数据无线发送给护士站[2]。

3.3 护士站模块主程序

该模块主要做4 件事:(1)预存各个病房显示模块的ID 编号;(2)定时接收来自病房模块汇总的脉率信息;(3)判断接收信息的正确性,实时报警;(4)定时通过串口向上位机传输全部的脉率数据信息。

其中,STM32 串口通信编程思路:(1)配置RCC 寄存器组,使用PLL 输出72 MHz 时钟并作为主时钟源;(2)配置GPIOA 端口,设置GPIOA.9 为第2 功能推挽输出模式,GPIOA. 10 为浮空输入模式;(3) 配置USART 设备,主要参数为:使用9 600 bps 波特率、8 位数据长度、1 个停止位且无校验位、全双工模式。 使用时一定要把PLL 输出设为72 MHz,并且作为主时钟使用,否则波特率需要重新计算。

3.4 上位机功能设计

脉率不断地通过串口上传到PC 电脑端。 上位机主要是对每个病床采集的脉率数据进行存储。 上位机设计了相应的数据库,保存一定时间范围内的脉率数据,护士可以通过上位机软件对保存的数据进行查询。数据通过波形显示,为疾病的诊断提供数据支持[3]。本系统的脉率显示波形如图5 所示。

图5 脉率显示波形

4 系统功能测试说明

本文选择CT188 设计的脉率检测系统,通过对软硬件的设计与调试,单个脉率检测与标准化设备测量的数据进行比较,相对误差小于2%。 但连续检测中,由于手指位置不对、监测时晃荡造成的粗大误差较大。系统如果要真实投入工作,需要对整个监测部件进行机械结构上的进一步设计。

5 结语

本文设计的脉率无线监测硬件系统结构简单、成本低、组网方便,减少了护士脉率检测工作量,提高了工作效率。 设计的上位机脉率管理系统,能够有效地存储脉率数据,提供折线图显示方式有助于脉率的分析。 但该系统目前只能检测脉搏,后续可以通过增加体温、血氧等传感器检测更多的生命体征。