鄭春春，鮑丙豪，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

鄭春春，鮑丙豪，曹一涵

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為解決常規(guī)心電圖檢測(cè)具有不利于病人活動(dòng)的局限性和實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。對(duì)體表提取的心電信號(hào)進(jìn)行硬件電路預(yù)處理后，利用CC2530對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并由協(xié)調(diào)器通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)，利用LabVIEW軟件對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行波形顯示、濾波等處理，從而完成心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)地對(duì)心臟病患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)，且不限制病人日常活動(dòng)，能夠真實(shí)的顯示出心電的相關(guān)信息。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；心電信號(hào)；ZigBee；濾波；LabVIEW

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)心臟病[1]患者的死亡率位列全球第3[2]。目前，醫(yī)院常規(guī)使用的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)多采用固定系統(tǒng)，即將心電電極采集到的人體心電信號(hào)通過(guò)線纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。這種方式不僅資源浪費(fèi)大，不便于攜帶還限制了病人和醫(yī)護(hù)人員的活動(dòng)。因此，研制一種能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)患者心電數(shù)據(jù),同時(shí)又能使患者擁有更多移動(dòng)空間的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是必要的。

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)多個(gè)心臟病患者，從而可高效護(hù)理心臟病患者同時(shí)減輕醫(yī)護(hù)人員的工作量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

系統(tǒng)主要包括3部分：(1)心電傳感器節(jié)點(diǎn)；(2)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；(3)基于LabVIEW的上位機(jī)顯示及處理系統(tǒng)。具體內(nèi)容為：利用心電采集電極采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ導(dǎo)聯(lián)方式提取出原始心電信號(hào)，經(jīng)過(guò)硬件電路處理后，由CC2530模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并發(fā)送信號(hào)，中繼路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與PC機(jī)通信，運(yùn)用開(kāi)發(fā)的LabVIEW系統(tǒng)進(jìn)一步對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，進(jìn)行心電信號(hào)波形顯示等處理。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心電傳感器節(jié)點(diǎn)包括心電采集及處理模塊與ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊，ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片。心電采集與處理模塊主要對(duì)原始心電信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大和濾波等，如圖2所示。為使其便攜，制作了PCB板。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件處理電路

(1)第一級(jí)放大及右腿驅(qū)動(dòng)電路。正常心電信號(hào)大小約為1～5 mV，頻率在0.05～100 Hz內(nèi)，屬于低頻微弱信號(hào)[3]。采用兩級(jí)放大電路對(duì)其放大，其中第一級(jí)采用AD620將其放大約8倍，第一級(jí)放大電路對(duì)信號(hào)只是初步的放大，以防電路產(chǎn)生自激。檢測(cè)到的心電信號(hào)中往往含有較強(qiáng)的背景噪聲[4]。因此設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路以來(lái)降低共模干擾[5]。從前級(jí)放大電路中兩個(gè)相等的偏置電阻中取出人體共模干擾，分別經(jīng)過(guò)電壓跟隨器進(jìn)行隔離以及反相器放大后與右腿連接，采用對(duì)消法濾除干擾；

(2)心電信號(hào)濾波電路。心電信號(hào)的提取過(guò)程中易受到多種干擾，如基線漂移、肌電干擾、電磁干擾等[6]。為了準(zhǔn)確地提取出心電信號(hào)，在傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路中設(shè)計(jì)了處理相應(yīng)噪聲的電路來(lái)進(jìn)行硬件濾波。

人體動(dòng)作、呼吸以及電極與體表接觸不良等造成ECG信號(hào)偏離原基線水平而發(fā)生漂移，其頻率一般<0.05 Hz[7]。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)截止頻率為0.05 Hz的壓控電壓源二階高通濾波器濾除0.05 Hz以下的干擾信號(hào)。電路的性能參數(shù)見(jiàn)式(1)～式(3)。

通帶增益

(1)

品質(zhì)因數(shù)

(2)

截止頻率

(3)

其中,C1=C6+C7,C2=C8+C9,如圖3所示。

檢測(cè)心電信號(hào)時(shí)，由導(dǎo)線竄入到檢測(cè)心電信號(hào)系統(tǒng)中的工頻干擾也一并被放大[8]。因此設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為50 Hz的陷波器濾除工頻信號(hào)。具體設(shè)計(jì)的電路如圖4所示。

人體受到的肌電干擾等可達(dá)300 Hz，因此設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為100 Hz的壓控電壓源型二階低通濾波器來(lái)濾除心電信號(hào)中頻率在100 Hz以上的干擾信號(hào)。通過(guò)以上濾波處理，可濾除心電信號(hào)中的大部分干擾。

圖3 壓控電壓源高通濾波器

圖4 陷波器

(3)二級(jí)放大與電平抬升電路。CC2530的A/D轉(zhuǎn)換的輸入幅度要求為0～3.3 V，因此整個(gè)電路的放大倍數(shù)約在800倍。前級(jí)AD620放大電路放大倍數(shù)為8倍，因而第二級(jí)放大電路放大約100倍。經(jīng)前幾級(jí)處理得到的心電信號(hào)仍為交流信號(hào)，故采用同相加法器設(shè)計(jì)電平抬升電路將交流信號(hào)抬升1.5 V，以得到直流信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)，協(xié)議棧采用TI公司的Zstack[9-10]，以此協(xié)議棧作為模板，進(jìn)行LED、按鍵以及LCD等硬件資源的移植[11]，進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。整個(gè)程序都是在OSAL操作系統(tǒng)上運(yùn)行的[12]。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)及路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的CC2530的P0.6設(shè)置為心電信號(hào)的輸入口，P0口配置成ADC輸入。選擇DMA通道6作為數(shù)據(jù)傳輸通道，參考電壓選擇AVDD_SoC，分辨率選擇12 bit，采樣率設(shè)為500 Hz。傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序調(diào)用AF_DataRequest()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包[13]。此外，該節(jié)點(diǎn)還設(shè)置了LED燈用于顯示組網(wǎng)信息、節(jié)點(diǎn)類型，路由節(jié)點(diǎn)與其使用相同的程序代碼。節(jié)點(diǎn)的ADC轉(zhuǎn)換程序如下：

HalAdcSetReference(HAL_ADC_REF_AVDD);

//選擇A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓

adc=HalAdcRead(HAL_ADC_CHN_AIN6, HAL_ADC_RESOLUTION_12);//選擇通道6

vol = (float)(adc/(float)2048)*3.3;

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，分配地址、更新節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)等[14]。通過(guò)串口與PC機(jī)之間的通信，程序中串口先初始化，比如設(shè)置波特率等，然后注冊(cè)串口任務(wù)。此外系統(tǒng)設(shè)計(jì)了LCD，用于顯示節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)信息等。協(xié)調(diào)器的串口程序如下：

HalUARTWrite(0,pkt->cmd.Data,pkt->cmd.DataLength); //串口輸出接收到的數(shù)據(jù)

HalUARTWrite(0, " ", 1); // 回車換行

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要包括：串口通信模塊、基線漂移和工頻干擾濾除模塊、QRS波群檢測(cè)模塊和心率計(jì)算模塊等。串口通信波特率設(shè)置為115 200。設(shè)計(jì)5階的巴特沃斯帶阻濾波器濾除50 Hz的工頻干擾；使用LabVIEW ASPT工具箱中的Wavelet Denoise Express VI濾除寬帶噪聲[15]，并使用WA Detrend VI消除基線漂移，檢測(cè)Q、R和S點(diǎn)使用WA Multiscale Peak Detection VI。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文搭建的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)如圖5(a)所示，協(xié)調(diào)器LCD顯示界面如圖5(b)所示。上位機(jī)處理結(jié)果如圖6所示，圖6(a)是上位機(jī)接收到的原始心電信號(hào)波形；圖6(b)是其信號(hào)頻譜圖，可見(jiàn)信號(hào)中仍含有50 Hz的工頻干擾，圖6(c)是濾除工頻干擾后的信號(hào)；圖6(d)是使用小波濾除寬帶噪聲后的心電信號(hào)，可見(jiàn)寬帶噪聲被大幅抑制而心電信號(hào)的主要細(xì)節(jié)保持不變；圖6(e)是小波濾除基線漂移之后的信號(hào)，可見(jiàn)處理后的心電信號(hào)幾乎不含有基線漂移；圖6(f)是軟件濾波之后的頻譜。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)軟件濾波，大幅抑制了工頻干擾、寬帶噪聲和基線漂移，較好的顯示出了心電波形。

圖5 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及LCD顯示

圖6 上位機(jī)處理結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)介紹了心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的檢測(cè)原理、信號(hào)處理設(shè)計(jì)、無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)以及上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其具有低功耗、實(shí)時(shí)性、便攜性、可擴(kuò)展性，可長(zhǎng)時(shí)間有效的監(jiān)護(hù)患者的心電信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由體表提取的心電信號(hào)可通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸，在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示和處理，軟件顯示的各種數(shù)據(jù)信息與實(shí)際值基本相符，系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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An ECG Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

ZHENG Chunchun，BAO Binghao，CAO Yihan

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In view of the problems of the conventional electrocardiogram detection limitations and poor real-time performance, a ECG monitoring system based on ZigBee wireless sensor network is proposed. Through the hardware circuit preprocessing for the ECG signal which is extracted from the body surface, ECG signal is transmitted based on CC2530, coordinator collects data and transmits to the host computer. Then LabVIEW software is used for ECG signal waveform display, filtering and heart rate calculation and other processing. This monitor system can monitor the patient for a long time in real time , do not limit the patient’s daily activities and display the ECG information truely.

wireless sensor networks; ECG signal; ZigBee; wave filtering; LabVIEW

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.012

2016- 03- 04

江蘇大學(xué)工業(yè)中心大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基金資助項(xiàng)目(ZXCXJJ201438)

鄭春春(1989-)，女，碩士研究生。研究方向：傳感器設(shè)計(jì)及信號(hào)處理。鮑丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型傳感器，智能儀器儀表等。

TN926；TP393

A

1007-7820(2016)12-041-04