張金榜,吳榮春,何 騫,于曉琳

(武警警官學院 信息工程系，四川 成都 610213)

1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 系統(tǒng)組成框圖

生理監(jiān)測系統(tǒng)由生理信息采集與處理模塊、無線收發(fā)模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)測與顯示模塊3大部分組成，系統(tǒng)整體組成框圖如圖1所示。各模塊之間相互聯(lián)系，協(xié)同工作，其工作原理是：生理信息采集與處理模塊主要監(jiān)測被測人員的心電、呼吸、體溫等生理參數(shù)；采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理和數(shù)據(jù)融合，再通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊；數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊可對數(shù)據(jù)進行分析、處理、顯示、存儲和回放，并在出現(xiàn)異常情況時報警提示。

2 系統(tǒng)各模塊設計

2.1 處理器模塊設計

處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心。從系統(tǒng)的應用領域、性能指標、開發(fā)條件和成本以及系統(tǒng)的可靠性、體積和功耗等方面綜合考慮后，選用TI公司的CC2530芯片作為系統(tǒng)的核心處理模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有高集成度、低功耗、小體積、低成本以及接口豐富等特點，可外接多種傳感器采集數(shù)據(jù)，需要極少的外部元件就能實現(xiàn)射頻功能，減小了系統(tǒng)體積，降低了設備費用[3]。CC2530選用32 kHz的主晶振和32.768 kHz的可選晶振來維持電路正常工作[4]。

2.2 生理信息采集與處理模塊設計

生理信息采集與處理模塊由多種生理傳感器和信號處理單元組成。生理傳感器與身體直接接觸，負責心電、呼吸和體溫等生理參數(shù)的采集，將微弱抽象的生理信息轉(zhuǎn)換為電信號；信號處理單元對采集后的電信號進行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換等預處理，便于數(shù)據(jù)的無線傳輸，提高抗干擾能力。

2.2.1 心電模塊

心電模塊由電極采集、前置放大、屏蔽驅(qū)動、右腿驅(qū)動、低高通濾波、50 Hz工頻陷波、二級放大和電平抬升8部分組成[5]，如圖2所示。其工作原理是：電極從體表拾取心電信號，通過高輸入阻抗、高共模抑制比的前置放大電路進行初步放大，抑制零點漂移，減少共模信號干擾；右腿驅(qū)動電路進一步提高信號的采集質(zhì)量并保證系統(tǒng)的安全性；屏蔽驅(qū)動電路用來提高整個電路的抗共模干擾能力；低高通濾波電路主要濾除心電信號頻率(0.05 Hz～100 Hz)外的干擾；50 Hz工頻陷波電路用來消除市電電網(wǎng)50 Hz正弦波形上疊加的尖峰脈沖信號的干擾；二級放大電路實現(xiàn)心電信號進一步放大；電平抬升電路用于將心電信號中的負電壓變?yōu)檎妷?，符合隨后A/D轉(zhuǎn)換的電壓輸入范圍；A/D轉(zhuǎn)換可實現(xiàn)模擬心電信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變。

圖2 心電采集放大電路框圖

2.2.2 呼吸模塊

呼吸模塊主要由激勵源電路、前置放大電路、檢波整流電路和濾波放大電路組成，如圖3所示。工作原理是：激勵源電路產(chǎn)生頻率為62.5 kHz、幅值為2 mA的恒流激勵信號，通過心電電極將恒流激勵信號輸入人體，周期性呼吸運動產(chǎn)生的阻抗變化反映在兩電極之間的電壓變化上，檢測電壓信號，并經(jīng)過前置放大完成初步放大，利用檢波整流電路提取有用信號，再通過濾波電路濾除多余頻段信號，最后經(jīng)過放大得到呼吸信號。

夜雨觀瀾：歐元區(qū)11月制造業(yè)P MI表明，歐洲制造業(yè)擴張速度放緩，歐洲經(jīng)濟整體增速已經(jīng)過了繁榮頂點而有所下行。主要原因或因為原材料的上漲導致制造業(yè)成本上升。且美國對歐盟加征關稅的負面影響已開始顯現(xiàn)。目前，整體歐元區(qū)景氣度下行。預計未來推出的購債計劃對經(jīng)濟的刺激作用整體有限，歐元指數(shù)面臨下行壓力。美國I S M制造業(yè)指數(shù)大幅高于預期，顯示美國經(jīng)濟活動持續(xù)擴張。預計2019年美國加息至多3次，美國經(jīng)濟2019年上半年仍能保持較好的增長勢頭。

2.2.3 體溫模塊

通過對比分析常用的數(shù)字溫度傳感器MAX6575、MAX6635、DS1722、DS18B20等,本文選用 DS18B20來實現(xiàn)溫度采集。DS18B20具有精度高、分辨率可調(diào)、溫度轉(zhuǎn)換時間短、單線接口、使用方便的特點[6]。本文采取外接電源的供電方式，并采用3點測溫，取平均值作為測量體溫,從而避免了因單個傳感器損壞而造成的數(shù)據(jù)無效。

2.2.4 體動模塊

體動的測量一般選用震動傳感器和三維加速度傳感器。本文采用三維加速度傳感器MMA7260QT實現(xiàn)體動信息的采集，該傳感器具有體積小、功耗低、散熱性好的特點,能夠監(jiān)測x、y、z 3個方向上的運動[7]。MMA7260QT加速度傳感器的硬件電路極其簡單，通過引腳1、2切換睡眠模式和設置靈敏度。本設計通過引腳1、2懸空來保證靈敏度,并在ADC之間增加阻容濾波電路。

2.3 無線收發(fā)模塊設計

無線收發(fā)模塊負責發(fā)送和接收預處理后的生理信息及系統(tǒng)指令，該功能是由處理器模塊中的射頻部分負責完成(CC2530集成了RF模塊)。

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊設計

數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示模塊主要由計算機和監(jiān)測軟件組成。計算機通過串口通信的方式接收無線收發(fā)模塊傳輸?shù)纳硇畔ⅲ瑢崟r、動態(tài)、直觀地顯示波形。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖4所示。本系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控中心、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和復合感知節(jié)點構成。系統(tǒng)設計了以監(jiān)控計算機為中心、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器為基礎、多個復合感知節(jié)點共同構成的穩(wěn)定可靠、結構簡單的星型網(wǎng)絡。各復合感知節(jié)點負責采集監(jiān)測被監(jiān)護人員的心電、呼吸、體溫等生理信號，并將采集到的信號分時發(fā)送到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責協(xié)調(diào)各復合感知節(jié)點之間的同步工作，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的計算機上進行數(shù)據(jù)通信、處理和顯示。

圖4 網(wǎng)絡拓撲結構

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)功能測試

(1)生理信息的監(jiān)測和顯示測試

表1 測試數(shù)據(jù)

測試方法：將復合感知節(jié)點緊貼被測人員衣物內(nèi)側固定，使電極和傳感器接觸身體；打開系統(tǒng)開關，運行監(jiān)測軟件；查看監(jiān)控中心計算機上是否顯示采集到的生理信號的波形。

測試結果：系統(tǒng)運行正常，可實時、連續(xù)監(jiān)測被測者生理信息，如圖5所示。

圖5 生理信息的監(jiān)測和顯示測試結果

(2)系統(tǒng)準確性測試

為驗證系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，使用該系統(tǒng)和專業(yè)醫(yī)用監(jiān)測儀對5名青年男性和5名青年女性的生理參數(shù)進行監(jiān)測，測試環(huán)境在操場，被測者均處于靜止狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

(3)系統(tǒng)動態(tài)測試

測試環(huán)境在操場，被測者處于慢跑狀態(tài)時，繼續(xù)監(jiān)測生理狀況，顯示結果如圖6所示。

圖6 動態(tài)監(jiān)測結果

4.2 系統(tǒng)性能測試

(1)系統(tǒng)功耗測試

測試方法：采用伏安法測量，在復合感知節(jié)點正常工作時用數(shù)字萬用表的電壓檔測量出復合感知節(jié)點兩端的電壓，用數(shù)字萬用表的電流檔測量出復合感知節(jié)點的電流，根據(jù)公式：P=UI，將所測電壓和電流相乘即可計算出功耗。

測試結果：系統(tǒng)功耗為240 mW。

(2)無線通信距離測試

測試方法：通信距離的測試環(huán)境是在室外，空曠無障礙，由一名被測者佩戴復合感知節(jié)點進行測試。

測試結果：無障礙條件下無線通信距離為150 m。

測試結果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，可實時、連續(xù)地監(jiān)測被測者生理狀況，并能動態(tài)、直觀地顯示波形數(shù)據(jù)，達到了預期設計目標，具有成本低、功耗小、便攜性好、功能豐富、抗干擾能力強等特點，可廣泛地應用于家庭醫(yī)療監(jiān)護及遠程護理的領域。

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[7]±1.5g-6g three axis low-g micromachined accelerometer[EB/OL].(2008-03-xx)[2013-07-16].http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA-7260QT.pdf?fsrch=1.