郭晏瑋，王新玲

（1 中國聯(lián)通網(wǎng)絡優(yōu)化中心 山西 太原 030012 ； 2 中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

目前心血管疾病是死亡的主要原因，在英國它每年占所有死亡的39%。有心臟病的患者，約有30%的人甚至還沒到醫(yī)院就死了。盡管心臟病突然發(fā)作沒有前兆，心率不齊在發(fā)作之前是可以被發(fā)現(xiàn)的，它可能被用作心臟病發(fā)作的主要前兆。一個健康成年人的心率會穩(wěn)定在50～100次/s。當每分鐘的脈搏數(shù)(即心率)低于50次時稱為心動過緩，高于160次稱為心動過速，心動過緩和過速都可能會直接帶來生命危險。所以對于心臟病人來說，如果能夠?qū)崟r監(jiān)測其心率，在病發(fā)時迅速進行搶救，無疑是幫助他們挽回生命的最佳方法。然而心臟病的病發(fā)并沒有確定的規(guī)律，而是跟病人的情緒、身體狀況和客觀環(huán)境都有著很大的關系，是難以預測的，而且一旦病發(fā)，病人無法自行處理時，則可能因為得不到治療而死亡。 以往的脈搏信號檢測采用有線連接方式，被監(jiān)護者的身上因安裝了傳感器設備而難以自由靈活移動。系統(tǒng)不便于擴展，修改網(wǎng)絡拓撲結構成本較高，布線雜亂，易使灰塵堆積，不利于清潔[1]。

針對這一情況，本文提出了一種可以監(jiān)測病人的心率并實時反饋給監(jiān)護人員的監(jiān)測方案。設計了基于藍牙和單片機技術，并脈搏傳感器、無線通訊等先進技術于一身的電子系統(tǒng)，它能夠在病人出現(xiàn)異常時實時的將心臟跳動情況傳輸給監(jiān)護人員，醫(yī)生可根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)即時對其進行治療。此系統(tǒng)基于藍牙的無線傳輸技術，可以通過人體隨身攜帶的無線終端采集脈搏數(shù)據(jù)，使采集系統(tǒng)具有移動性，避免了被測人員使用傳統(tǒng)檢測儀器時，需要通過很多導線連接身體的麻煩和束縛，并可以采集到被監(jiān)測者活動狀態(tài)下的脈搏信號。

1 心率監(jiān)測系統(tǒng)設計方案

1.1 硬件部分設計

基于無線藍牙傳輸?shù)男穆蕶z測系統(tǒng)具有以下基本功能:

1)脈搏數(shù)據(jù)的實時采集和處理；

2)與上位機進行藍牙通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線互傳，并在終端設備顯示和存儲；

3)體積小，功耗低，實時性好，便于攜帶。

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，整個系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集和傳送部分（以MSP430F149單片機為核心的下位機）以及末端的數(shù)據(jù)接收、分析和處理部分（PC上位機）組成。下位機對病人的心率信號實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，就會通過藍牙模塊無線傳輸給上位機，以采取實時搶救。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

1.1.1 傳感器模塊

用于脈搏信號的獲取及數(shù)字化。包括脈搏傳感器、放大電路和A/D芯片AD976。脈搏傳感器采用PVDF壓電薄膜式壓力傳感器，它是一種高性能、低成本的震動傳感器，具有抗過載及沖擊能力強、抗干擾性好、操作簡便等特點，并具有很高的強度和很寬的頻響，它采用PVDF壓電薄膜作為換能元件，脈搏信號通過特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量再經(jīng)片內(nèi)放大電路轉(zhuǎn)換為壓電信號輸出。PVDF薄膜能夠很好地與皮膚接觸，柔性好且有很好的時間和溫度穩(wěn)定性，即使在應力作用下也不會影響檢測脈搏的壓力變化，故能檢測到微小的脈動信號。經(jīng)前置放大電路放大后送入AD976，進而送給單片機進行處理[2]。

1.1.2 按鍵模塊

脈搏測量鍵負責測量脈搏并存儲；脈搏顯示鍵用于顯示存儲測量的脈搏數(shù)；解除鍵用于接到報警后解除警報鍵；NEXT鍵用于配合顯示鍵工作。

1.1.3 報警模塊

報警模塊包含兩部分,一部分當檢測的脈搏信號出現(xiàn)異常時,發(fā)出警報告之醫(yī)生以施救援；另一部分當鋰電池電量不足時需要發(fā)出警報告之病者或醫(yī)護人員進行充電，以免發(fā)生錯誤。

1.1.4 單片機與藍牙模塊

藍牙模塊是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，要完成全部藍牙基帶、射頻以及部分HCI協(xié)議。系統(tǒng)采用愛立信的ROK101 008藍牙模塊，供電電源為3.3V。微控制器選用TI公司16位高性能MSP430系列單片機F149。藍牙模塊的ANT腳用于外接天線，其標稱阻抗是50Ω。由于天線的方向和增益不同時，會影響通信距離，本課題采用一種直接印刷在PCB板上的倒F型天線進行通信時取得了成功。ROK 101 008提供4種接口，本課題采用UART口連接藍牙模塊和微控制器MSP430F149，其最高波特率達到460 800 bit/s，本課題采用57 kb/s的速率[3]。由于鋰電池供電為3.7V,所以需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換將電壓轉(zhuǎn)為3.3V供藍牙與單片機工作。藍牙模塊主要使用了4條UART信號線，2根數(shù)據(jù)線TXD和RXD，同時使用流量控制信號RTS和CTS。藍牙模塊在正常工作時，VCC、ON和VCC-IO腳都應接高電平3.3V[4]。

藍牙模塊UART口的初始設置為速率57.6kb/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。PC上位機與藍牙模塊通信的基本過程：首先MSP430F149設置為與藍牙模塊同樣的通信模式，藍牙模塊發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)先由MSP430F149接收并存放在其接收緩存區(qū)中，然后MSP430F149請求發(fā)送數(shù)據(jù)給PC，PC接收到請求后，如果同意接收，發(fā)送應答信號， MSP430F149把緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)發(fā)送給PC[5]。完成傳輸后，PC上位機即電腦上顯示病人每5s被檢測到的脈搏數(shù)據(jù)，若正常則顯示正常并存儲，若出現(xiàn)異常則發(fā)出警報通知醫(yī)生緊急救治。

1.2 軟件部分設計

軟件設計遵從結構化設計方法，采用模塊化和自頂向下的規(guī)范來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。

該系統(tǒng)的軟件部分包括上、下位機的軟件設計，主要包括主程序和子程序。

1.2.1 主程序

下位機主程序主要是監(jiān)測心率并完成藍牙的數(shù)據(jù)采集與傳輸。首先對藍牙模塊進行初始化，建立連接，接收到上位機傳來的采集參數(shù)后進行信號采集，采集完畢后向上位機發(fā)送信號值。若接收到通信終止指令則斷開連接，單片機復位。流程圖如圖2所示。

上位機主程序一直處于接收狀態(tài),它根據(jù)下位機發(fā)送過來的信號來工作。首先要打開藍牙設備，對藍牙設備進行參數(shù)配置，包括流量控制、讀取本地藍牙設備的名字以及本地藍牙設備地址BD_ADDR等等[6]。接著就開始建立連接等。在發(fā)起建立ACL連接的請求后，如果對方同意建立連接并且連接成功，那么將會獲取ACL連接的句柄，有了這個句柄，就可以發(fā)送ACL數(shù)據(jù)，實現(xiàn)通信。流程圖如圖3所示。

1.2.2 測量存儲脈搏子程序

測量鍵按下，下位機即調(diào)用測量存儲子程序，每5s完成1min的心率測量、顯示并在上位機中存儲。心率測量計算時采用滑動平均值法。

1.2.3 報警子程序

報警子程序中,下位機只需向上位機發(fā)送報警信號.上位機接到信號后,即發(fā)出報警聲通知醫(yī)生進行搶救。

1.2.4 顯示存儲子程序

圖2 下位機系統(tǒng)軟件流程圖

圖3 上位機系統(tǒng)軟件流程圖

顯示鍵按下后調(diào)用顯示存儲子程序。首先下位機向上位機發(fā)送顯示存儲信號，若有具體日期,上位機將存儲好的此日期數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機，下位機開始顯示數(shù)據(jù)，若無要求上位機將存儲好的數(shù)據(jù)按照日期排序后發(fā)送給下位機,若用戶按下NEXT[8]鍵，則顯示下一組數(shù)據(jù)。若30s內(nèi)無任何鍵按下，則自動顯示下一組數(shù)據(jù)。

2 實驗分析

為了驗證系統(tǒng)的準確性和可靠性，使用該系統(tǒng)對1名被測者(靜坐狀態(tài)下)進行脈搏波形的檢測。被測者為男性，身高175 cm。被測者自然放松保持坐姿，通過緩慢的深呼吸改變自身狀態(tài)，脈搏傳感器放置于手部指端。從實驗結果中，可以清晰地得出被測者的脈搏頻率大約為76次／min，且該模塊對脈搏頻率進行測量的誤差范圍在±3之內(nèi)。該模塊實現(xiàn)了對人體的無線監(jiān)測，因此，可以通過脈搏波形在一定時間內(nèi)的變化和趨勢，評價用戶的心血管系統(tǒng)的健康狀況。

3 結束語

本文研究的基于藍牙傳輸?shù)男穆蕶z測系統(tǒng)，是在短距離內(nèi)替代有線傳輸?shù)牡统杀?、高可靠性方案，其結構簡單，不需要大量的附加存儲設備，傳輸過程也不產(chǎn)生費用，具有功耗低、體積小、價格便宜等特點，測得的數(shù)據(jù)真實性強，數(shù)據(jù)準確可靠，可用來檢測如心臟病患者和老年人等人群。采用的無線數(shù)據(jù)采集方式不影響人們的日常生活，更有效的幫助醫(yī)護人員對用戶的健康狀況進行檢測和防護。由于鋰電池要適時充電，正在研發(fā)借用脈搏跳動來供電。

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[3]Mehta Vipin,ElZarkiMagda.A Bluetooth Based Sensor Network for Civi Infrastructure Health Monitoring[J].WirelessNetworks,2004,10(7):401-412.

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