高志新

摘 要：提出了一種基于低功耗藍(lán)牙的無線心電和血氧健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，完成了藍(lán)牙模塊硬件設(shè)計(jì)和手機(jī)應(yīng)用的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了人體心電和血氧參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵字：生理參數(shù)；健康監(jiān)護(hù)；低功耗藍(lán)牙；iOS

1 前言

心電血氧監(jiān)護(hù)對(duì)于患有心臟疾病的病人尤為重要，針對(duì)病人去醫(yī)院監(jiān)測(cè)心電和血氧等生理參數(shù)流程復(fù)雜和醫(yī)院就診壓力大的問題[1]。本文提出了一種基于低功耗藍(lán)牙的無線心電和血氧健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了藍(lán)牙通信模塊和手機(jī)應(yīng)用。經(jīng)過藍(lán)牙協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂衖OS系統(tǒng)的手機(jī)端顯示，實(shí)現(xiàn)生理參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和管理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)概述

以實(shí)現(xiàn)不間斷的健康監(jiān)護(hù)為目標(biāo)。生理參數(shù)（心電、血氧等）采集裝置將采集到的

數(shù)據(jù)通過UART串口傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙低功耗協(xié)議發(fā)送到手機(jī)上。手機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以易讀的圖片方式顯示出來。還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

2.1 藍(lán)牙模塊硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2541低功耗藍(lán)牙芯片為主芯片設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊。藍(lán)牙模塊電路主要由主芯片CC2541、電源電路、射頻系統(tǒng)電路、時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路組成。時(shí)鐘晶振電路包括32MHz和32.768KHz兩種頻率的晶振，32MHz的晶振為低功耗藍(lán)牙射頻通信提供時(shí)鐘，32.768KHz晶振用于喚醒低功耗藍(lán)牙的睡眠模式。射頻系統(tǒng)電路主要由芯片的設(shè)頻引腳、巴倫匹配電路和PCB天線組成。射頻輸入輸出引腳為高阻差分式，內(nèi)部具有控制發(fā)送和接收的開關(guān)。天線采用倒F天線，需要使用巴倫匹配電路作為不平衡轉(zhuǎn)換器，同時(shí)提供50歐姆的匹配阻抗[2]。巴倫匹配電路將天線接收到的信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào)形式，保證天線的輻射效率。

2.4GHz頻率的天線主要有SMA天線和印制天線兩種。由于SMA天線體積較大，所占空間也大，成本很高，本系統(tǒng)采用印制天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)為倒F天線，倒F天線是單極子天線的一種變形結(jié)構(gòu)，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于匹配和制作成本低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在藍(lán)牙通信、WIFI通信和Zigebee通信等短距離無線通信領(lǐng)域。倒F天線有兩種結(jié)構(gòu)，一種是標(biāo)準(zhǔn)的倒F天線，另外一種是S型倒F天線，S型倒F天線是標(biāo)準(zhǔn)倒F天線的改進(jìn)型。通過高頻有限元仿真軟件HFSS對(duì)這兩款天線進(jìn)行性能仿真與選取。通過比較兩種天線的中心頻率和相對(duì)帶寬。標(biāo)準(zhǔn)倒F天線的中心頻率為2.5GHz，S11<-10dB的相對(duì)帶寬為480MHz；S型倒F天線的中心頻率為2.36GHz，S11<-10dB的相對(duì)帶寬為182MHz。分析結(jié)果可以看出S型倒F天線的相對(duì)帶寬更窄，中心頻率更接近藍(lán)牙的工作頻率2.4GHz。實(shí)際應(yīng)用中S型倒F天線所占印刷電路板的面積更小，這樣就可以節(jié)省出更多的空間。在相同元器件封裝規(guī)格和相同電路設(shè)計(jì)PCB時(shí)，S型倒F天線可以使模塊更加小型化。所以本系統(tǒng)中的藍(lán)牙模塊天線采用S型倒F天線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)軟件由藍(lán)牙協(xié)議棧和手機(jī)端軟件組成。監(jiān)測(cè)終端藍(lán)牙協(xié)議棧初始化，手機(jī)選擇連接監(jiān)測(cè)終端藍(lán)牙，連接成功后，監(jiān)測(cè)終端通過藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，手機(jī)應(yīng)用開啟后臺(tái)線程接收數(shù)據(jù)，同時(shí)手機(jī)主進(jìn)程開始畫圖，開啟另外一個(gè)后臺(tái)線程計(jì)算心率值或者血氧數(shù)值，同時(shí)記錄用戶的心率和血氧值。

3.1 手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)低功耗藍(lán)牙通信手機(jī)作為主機(jī)角色。在連接之前，需要選擇不同的藍(lán)牙設(shè)備連接，藍(lán)牙終端就是監(jiān)測(cè)生理參數(shù)的設(shè)備，這些設(shè)備用唯一的UUID來建立不同的藍(lán)牙連接，從而實(shí)現(xiàn)傳輸不同的數(shù)據(jù)和繪圖的功能。由于藍(lán)牙通信框架規(guī)定了嚴(yán)格的通信協(xié)議來建立連接。主從設(shè)備建立連接的過程為：從節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信號(hào)（包括設(shè)備地址和設(shè)備名稱等附加信息）；主節(jié)點(diǎn)收到此廣播信號(hào)后，向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出掃描請(qǐng)求；當(dāng)從節(jié)點(diǎn)回應(yīng)掃描時(shí)，完成了設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程。主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出連接請(qǐng)求（包括連接時(shí)隙、從節(jié)點(diǎn)待機(jī)次數(shù)、連接超時(shí)值），從節(jié)點(diǎn)回應(yīng)連接，完成了建立連接。為了安全起見，一些數(shù)據(jù)的訪問需要認(rèn)證：一方（可以是主節(jié)點(diǎn)，也可以是從節(jié)點(diǎn)）向另一方索要6位數(shù)字的密碼，輸入正確的密碼后，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此交換安全密鑰用于加密和認(rèn)證，此過程稱為配對(duì)。低功耗藍(lán)牙協(xié)議支持兩節(jié)點(diǎn)保存認(rèn)證的安全密鑰（一般是保存在非易失性存儲(chǔ)器中），以便于兩節(jié)點(diǎn)下次連接后快速認(rèn)證。

藍(lán)牙模塊與iOS設(shè)備通信規(guī)定傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制，得到原始數(shù)據(jù)后，手機(jī)軟件通過GCD多線程開發(fā)機(jī)制初始化兩個(gè)線程[3]，一個(gè)進(jìn)程將原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文件中，另外一個(gè)進(jìn)程將數(shù)據(jù)繪制成圖顯示出來。繪圖功能由iOS的繪圖函數(shù)庫Quartz 2D完成[4]。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于iOS平臺(tái)低功耗藍(lán)牙的移動(dòng)健康管理系統(tǒng)，完成了藍(lán)牙通信模塊電路設(shè)計(jì)和iOS手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了將心電信息和血氧信息在手機(jī)上顯示的功能。

本系統(tǒng)可以應(yīng)用在病人術(shù)后康復(fù)、居家養(yǎng)老以及心血管疾病日常監(jiān)測(cè)等方面，為減輕醫(yī)院的就診壓力和緩解人們看病難的問題上起到了積極地作用。

參考文獻(xiàn)

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