孫長偉，王艷春，黃迎輝，顏 紅

人體脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計

孫長偉，王艷春，黃迎輝，顏 紅

(蚌埠學(xué)院機械與電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

隨著科技的發(fā)展，生活節(jié)奏的加快，工作壓力的增加，對于人體健康往往容易忽略.本文設(shè)計的人體脈搏檢測系統(tǒng)獲取心率，區(qū)別于傳統(tǒng)的通過心電信號獲取心率.通過ZigBee技術(shù)組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實時地監(jiān)測人體的脈搏情況，從而獲得實時連續(xù)的心率，并將結(jié)果傳送到監(jiān)控中心.若超出正常范圍，系統(tǒng)會報警.

ZigBee；脈搏；無線傳感；檢測

引言

心率為人體參數(shù)檢測的一個重要生理指標，脈搏波的檢測可以作為獲取心率的一個重要途徑.借助于脈搏獲得的綜合信息，包括呈現(xiàn)出來的強度，節(jié)律和速率等信息，可以為心血系統(tǒng)的研究提供參考.通過對脈搏波的檢測可以得到許多有價值的診斷信息，脈搏波中含有有關(guān)內(nèi)外循環(huán)，尤其有關(guān)心臟等的動態(tài)信息，可以用來預(yù)測人體某些生理上的變換趨勢.由于脈搏波信號有其特殊性，因此在設(shè)計時要做到能夠獲取準確的信號[1].

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端即信息采集節(jié)點，采集人體脈搏波信號.經(jīng)信號調(diào)理電路，由Zigbee無線通信模塊，即路由器節(jié)點，接收并將信息發(fā)送出去，最終由協(xié)調(diào)器節(jié)點接收，通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機[2]，通過上位機處理軟件的處理，實現(xiàn)脈搏信號的實時監(jiān)測，如果遇到危險情況，及時通知醫(yī)療機構(gòu)或者監(jiān)護人.通過自組織的方式，路由器節(jié)點與節(jié)點之間產(chǎn)生聯(lián)系，形成一個分布式的網(wǎng)絡(luò)[3].供電由體積小，電源質(zhì)量較好地鋰電池提供，為監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計提供了良好的保證[4].

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.通過佩戴脈搏信號采集設(shè)備，將采集到的脈搏波通過路由節(jié)點將信息傳送到無線網(wǎng)路的協(xié)調(diào)器節(jié)點[5].協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口將信息傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心運行的監(jiān)護軟件實時檢測佩戴者的脈搏信號[6].

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Diagram of the system design

由于人體的脈搏信號具有幅度小，頻率低、噪聲強，抗干擾差，隨機性強等特點[7]，因此電路的設(shè)計重點完成對脈搏信號的抗干擾和放大，尤其是抗干擾功能的設(shè)計十分重要.通常干擾源，包括50Hz工頻干擾及諧波干擾，肌肉的收縮產(chǎn)生的5Hz～2KHz的較大頻率范圍的干擾，呼吸引起的頻率為0.15～0.3Hz基線漂移等.因此信號在進入路由器節(jié)點前需要設(shè)計信號調(diào)理電路.

2 信號調(diào)理電路的設(shè)計

本系統(tǒng)通過脈搏傳感器(PVDF)電路采集信號，經(jīng)由濾波電路，放大電路等組成的信號調(diào)理電路完成對信號的處理.

脈搏信號的采集由壓電薄膜傳感器完成.壓電薄膜傳感器貼附在人體皮膚表面，對人體的肌肉及血管的運動進行測量，由于壓電薄膜的壓電晶體電容較小，內(nèi)阻抗很大[8].因此接入的高輸入阻抗電荷放大電路，可以將高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，并放大傳感器輸出的微弱信號[9].輸入阻抗R2的值可設(shè)為百兆歐姆[10].

電路采用二階有源低通濾波器，用來補償傳感器引起的高頻幅頻特性和衰減頻帶內(nèi)無用的高頻分量.信號濾波后通過外部放大電路放大輸出[11].電路圖如圖2所示.

圖2 信號調(diào)理電路Fig.2 Circuit of signal conditioning

圖2中電解電容C1濾出信號中的直流分量，數(shù)量級為幾μF.第一個運放LM324和電阻R1，R3完成電路的一級放大，放大倍數(shù)為

人體的脈搏波是低頻信號，大約在0.1Hz-20Hz以內(nèi)，但2-20Hz之間集中了大部分的能量，尤其是10Hz以下，最高不會超過 40Hz，且幅值僅為幾毫伏[12].為進一步消除由于肌肉收縮和呼吸造成的干擾，或得更準確的脈搏波信號，由第二個LM324集成運放和C3，C4，R6，R7共同構(gòu)成了二階有源濾波器.該截止頻率為:

第三個LM324集成運放和電阻R8，R10構(gòu)成二級放大電路，放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)量級.其放大倍數(shù)為

采用兩級放大避免了由于一級放大倍數(shù)太大造成的噪聲放大增加，使脈搏波失真.因為一級放大電路的放大倍數(shù)為50，而二級放大電路的放大倍數(shù)為200.腕部的傳感器獲得的脈搏信號，由于離心臟較遠，信號比較微弱，大多處于毫米級，經(jīng)過該調(diào)理電路輸出的信號基本滿足需要.

3 脈搏檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

終端傳感器節(jié)點，路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點共同構(gòu)成了本設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，硬件采用支持Zig-Bee底層協(xié)議的芯片CC2530，軟件借助TI公司的Zig-Bee協(xié)議棧Z-Stack[13].協(xié)調(diào)器是用來創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)的，路由器和終端加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)中.通過脈搏傳感器電路及信號調(diào)理電路后的脈搏信號通過CC2530模塊的A/D轉(zhuǎn)換，發(fā)送出去，Z-Stack可以實現(xiàn)無線收發(fā)，調(diào)用底層系統(tǒng)應(yīng)用層函數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)功能.

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括ZigBee協(xié)議棧和節(jié)點應(yīng)用程序[14].本系統(tǒng)中的協(xié)議棧實現(xiàn)了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信的功能，節(jié)點應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了脈搏信號采集的功能.本系統(tǒng)中的協(xié)議棧代碼采用分層結(jié)構(gòu)來設(shè)計[15]，分層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的軟件開發(fā)如圖3所示.

圖3 軟件開發(fā)中的節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Node structure diagram of software development

其中，Z-Stack協(xié)議棧的實現(xiàn)是無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的關(guān)鍵[16].本系統(tǒng)采用了TI公司為CC2530無線單片機設(shè)計的開源TIZ-Stack協(xié)議棧代碼.

在TIZ-Stack協(xié)議?；A(chǔ)上設(shè)計本系統(tǒng)的軟件步驟如圖4所示.最終將生成的.HEX文件加載到芯片中.

圖4 脈搏檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計圖Fig.4 Design of pulse detection system software

4 結(jié)果顯示

脈搏信號在經(jīng)過采集和傳輸傳后，將上傳給上位機以便后續(xù)的處理和應(yīng)用，如實時觀察檢測病理進行診斷分析等，其中脈搏信號的終端節(jié)點采集設(shè)備及上位機實物圖如圖5所示，主處理系統(tǒng)采用PCB天線完成信號的發(fā)送與接收.

圖5 終端節(jié)點采集設(shè)備及上位機實物Fig.5 Acquisition equipment and PC term inal nodes

為了實現(xiàn)上述目標，利用NI公司的Labview軟件，實現(xiàn)對接收脈搏信號波實時顯示，如有需要可以加入算法獲得更精確的信息.實驗證明數(shù)據(jù)及波形顯示可靠，心率狀態(tài)檢測正確，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)設(shè)計界面Fig.6 Design system interface

5 結(jié)論

該設(shè)計在終端傳感器電路的脈搏波信號，通過ZigBee組建的無線傳感器網(wǎng)路，最終上傳到醫(yī)療平臺，實時連續(xù)地完成了無線檢測任務(wù).對于上傳到醫(yī)療平臺即上位機的信號，可以通過Labview軟件做進一步的處理，進行分析，更好地檢測人體的生理狀況信息，更好地應(yīng)用于疾病的預(yù)防和治療等領(lǐng)域.腕部脈搏實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠在突發(fā)事件中發(fā)出警報.

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(責任編輯:張陽，付強，李建忠，羅敏；英文編輯:周序林)

Design of pulse detection system

SUN Chang-wei，W ANG Yan-chun，HUANG Ying-hui，YAN hong

(Department of Mechanical and Electronic Engineering，Bengbu University，Bengbu 233030，P.R.C.)

With the development of science and technology，accelerated rhythm of life and increased work pressure，people are easy to overlook their health.The pulse detection system designed for the heart rate is different from traditional ones that acquire heart rate by ecg signal.The wireless sensor network formed by ZigBee technology can real-timemonitor the pulse of the situation.The users can get the real-time continuous heart rate，and the resultswill be transmitted to themonitoring center.If it is beyond the normal range，the system will send an alarm.

ZigBee；pulse；wireless sensor；detection

R319，TP274

A

2095-4271(2015)03-0341-04

10.11920/xnmdzk.2015.03.014

2015-03-06

孫長偉(1982-)，女，漢族，山東省濰坊市人，講師，研究方向:信號處理，嵌入式系統(tǒng)技術(shù).E-mail:ysusun＠163.com.

安徽高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013Z201)；安徽高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013Z193)；蚌埠學(xué)院工程研究中心研究項目(BBXYGC2012B01).