肖燕

（寶雞文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 寶雞 721016）

基于ZigBee的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖燕

（寶雞文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 寶雞 721016）

為了滿足醫(yī)院、家庭和養(yǎng)老院實(shí)時(shí)監(jiān)測心臟病患者心電圖的需求，提出了利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控心電信號的系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)采用電極片導(dǎo)聯(lián)獲取心電信號，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸信號數(shù)據(jù)，并由上位機(jī)繪制心電圖。試驗(yàn)結(jié)果證明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對病人心電信號的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和及時(shí)診斷，具有臨床應(yīng)用價(jià)值。

ZigBee；心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；無線傳感網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

心臟病是一種危及生命的重大疾病，具有很強(qiáng)的突發(fā)性，并在發(fā)病后救治時(shí)間短、危險(xiǎn)性高，其發(fā)病死亡率在美國、日本和歐洲等國家居第一位，在我國居第三位[1]。在醫(yī)學(xué)上，主要依靠心電圖來診斷和監(jiān)控心臟病。實(shí)時(shí)的心電圖監(jiān)測可以有效的預(yù)防和發(fā)現(xiàn)這種疾病，為救治病人贏得時(shí)間。因此，對于心臟病患者來說，實(shí)時(shí)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)更是非常必要的監(jiān)測手段的和救治措施。文中根據(jù)心電圖監(jiān)測的需求，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，建立一套適合于家庭、醫(yī)院和養(yǎng)老院的實(shí)用型實(shí)時(shí)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在檢測域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信的方式形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是當(dāng)前國內(nèi)外備受關(guān)注的新興技術(shù)[2]。ZigBee技術(shù)是WSN的主要標(biāo)準(zhǔn)之一，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速度，低成本的雙向無線通信技術(shù)。在智慧醫(yī)療方面，通過讓病人佩戴特殊功能的微型傳感器，醫(yī)護(hù)人員可以通過手持PAD等設(shè)備，隨時(shí)查詢病人健康狀況或接收報(bào)警信息，以及后期跟蹤治療等[2]。因此，本文的設(shè)計(jì)適用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)病患的心電信號的實(shí)時(shí)檢測并繪制心電圖，從而完成對病患的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以醫(yī)院環(huán)境為例，通過布置ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)對患者的心電信號的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。圖1給出了本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖。由病患自身攜帶的傳感器終端節(jié)點(diǎn)采集到心電信號，通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該心電信號數(shù)據(jù)，最后由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳信號數(shù)據(jù)至上位機(jī)。上位機(jī)軟件通過繪制心電圖供醫(yī)護(hù)人員判斷患者的情況。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇了體積小、內(nèi)部集成了2.4 GHz的RF無線收發(fā)器和增強(qiáng)型8051MCU、真正符合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求的CC2530芯片來構(gòu)建心電信號采集節(jié)點(diǎn)。圖2給出了心電信號的處理流程圖。由于人體的心電信號具有微弱性和強(qiáng)干擾性的特點(diǎn)，因此在心電信號采集和處理過程中，必須設(shè)計(jì)合理的放大電路和濾波電路，以便后續(xù)電路的處理。

圖2 心電信號處理流程圖

由于心電信號的頻率范圍為0.05～100 Hz，幅值為0.05～5 mV，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮將信號放大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)來適應(yīng)系統(tǒng)需求。本設(shè)計(jì)中使用了價(jià)格低廉且性能優(yōu)良的常用儀表放大器AD620AN芯片來完成信號的前置放大處理，將信號放大至7～10倍。

根據(jù)心電信號的頻率特征，為了采集有用的心電信號，避免檢測信號受到人體其他部位的電位差影響，心電信號通過高通濾波和低通濾波阻斷低于0.05 Hz和高于100 Hz的其他頻率信號。高通濾波使用美國德州儀器公司先進(jìn)的LinCMOStm工藝制造的四路運(yùn)算放大器TLC2254來設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為0.05 Hz的二階高通濾波電路。低通濾波同樣使用TLC2254設(shè)計(jì)機(jī)制截止頻率為100 Hz的濾波電路來阻斷高頻電磁場的干擾。

由于存在日常生活中存在50 Hz的供電網(wǎng)信號的工頻干擾，在采集到信號后設(shè)計(jì)一個(gè)帶雙T網(wǎng)絡(luò)的50 Hz的陷波電路來完成工頻濾波。圖3給出了陷波電路設(shè)計(jì)圖。

圖3 陷波電路設(shè)計(jì)圖

為了達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換的電壓要求，需要將過濾后的心電信號再次進(jìn)行放大處理。由于CC2530的供電電壓為2～3.6 V，因此需要將信號放大100倍左右，放大器仍然采用AD620AN，通過改變滑動變阻器的阻值來改變放大倍數(shù)，從而滿足電路需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面:下層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和上層的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)是在IAR Embedded Workbench（EW8051）集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，同時(shí)利用TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧軟件Z-Stack組成強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)。上位機(jī)軟件在VC++開發(fā)環(huán)境下編寫，內(nèi)含串口驅(qū)動程序。上位機(jī)通過串口和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接來接收并顯示所采集的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控患者的心電數(shù)據(jù)的目標(biāo)。本系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化包括對各部分硬件電路、DMA的初始化配置、ADC端口設(shè)置、中斷使能設(shè)置、時(shí)鐘頻率設(shè)置、定時(shí)器的初始化、串口的初始化等任務(wù)。主要的設(shè)置函數(shù)有：

4.2 建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳輸和網(wǎng)絡(luò)的控制功能，涉及到ZigBee設(shè)備類型有終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)里至少有一個(gè)協(xié)調(diào)器，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制者，負(fù)責(zé)新網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。路由器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。因此，路由器和終端設(shè)備都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先對CC2530進(jìn)行初始化，然后建立一個(gè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點(diǎn)搜索到ZigBee網(wǎng)絡(luò)并加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，協(xié)調(diào)器會給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配地址。當(dāng)用戶需要采集心電數(shù)據(jù)時(shí)，由協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，其后等待接收采樣數(shù)據(jù)，并把接收到的數(shù)據(jù)通過串口上傳給上位機(jī)。

4.3 心電信號采集

在心電信號的連續(xù)采樣中主要是通過設(shè)置CC2530的ADCCGG、ADCCON2和ADCCON1寄存器來完成輸出電壓的采樣工作，包括ADC參考電壓、采集頻率、分辨率等，其函數(shù)原形如下：

4.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)負(fù)責(zé)接收到的心電信號數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)繪制心電圖。上位機(jī)通過使用MSCOMM串口編程控件完成對串口數(shù)據(jù)的接收，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。繪圖功能根據(jù)心電信號的數(shù)據(jù)調(diào)用GDI庫函數(shù)繪制心電圖。上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面圖

5 系統(tǒng)測試

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本次通過采集一個(gè)正常人的心電信號，并通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)繪制一段心電波形圖來進(jìn)行測試。經(jīng)測試，上位機(jī)上繪制如圖6所示波形，與醫(yī)學(xué)上正常人的心電圖相比較基本吻合。因此，本系統(tǒng)采集到的心電信號數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 上位機(jī)顯示圖

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)無線醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)使用ZigBee技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對患者心電信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測，患者可以不受時(shí)間和空間的限制，為醫(yī)護(hù)人員提供了有力的診斷依據(jù)，減少了醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，具有很大的市場應(yīng)用前景。

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Design of monitor system of ECG based on ZigBee

XIAO Yan
（School of Computer，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

In order to satisfy the requirement of real-time monitoring of Electrocardiogram （ECG）for cardiac patients in hospitals，families and nursing homes.This paper design a real-time system based on ZigBee technology.The system collects ECG signal by leading electrodes，and then transmit data through the ZigBee wireless sensor network.Finally，the upper computer software draws ECG.The results of tests indicate the system has achieved real-time monitoring and timely diagnosis of patient's ECG.

ZigBee；ECG；WSN；IOT

TN92

A

1674－6236（2016）18-0007-03

2015-11-02 稿件編號：201511022

陜西省教育廳自然科學(xué)類專項(xiàng)項(xiàng)目（14JK1047）

肖 燕（1982—），女，湖北咸寧人，碩士，助教。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。