劉婷婷，李瑞祥，陳 城，劉 毅

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200082)

基于ZigBee的血氧飽和度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

劉婷婷，李瑞祥，陳 城，劉 毅

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200082)

由于傳統(tǒng)的血氧飽和度檢測系統(tǒng)已無法適應(yīng)當今醫(yī)療行業(yè)多元化、信息化和個性化的監(jiān)護需求，設(shè)計了一種基于ZigBee的血氧飽和度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430和CC2530芯片，能夠同時采集病人的血氧飽和度和心率，并開發(fā)出上位機界面來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲。實踐證明，該系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)相對可靠、失真率低，血氧飽和度測量誤差保持在0.4% 以內(nèi)。具有較高的檢測精度，且滿足同時監(jiān)控多種生理參數(shù)的需求。

血氧飽和度；ZigBee；MSP430；CC2530

設(shè)計了一種基于ZigBee的血氧飽和度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee 2007 Pro協(xié)議，以CC2530芯片為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以MSP430芯片為系統(tǒng)核心實現(xiàn)信息的采集、調(diào)理電路的設(shè)計和通信電路的搭建等工作，并集成了心率采集模塊，能夠同時采集病人的血氧飽和度和心率，且開發(fā)出基于操作系統(tǒng)的上位機界面來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示和處理。該系統(tǒng)采集速度快、節(jié)點能耗低、傳輸效率高、實時性好且檢測精度高[1]。

1 血氧飽和度測量的基本原理

血氧飽和度是指血液里氧合血紅蛋白的容量與血液中全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的百分比，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數(shù)之一。目前檢測血氧飽和度最廣泛的方法是紅外光譜光電法，該方法是以郎伯—比爾定律(Lambert-Beer law)為理論基礎(chǔ)進行研究的[2]。

郎伯—比爾定律是光能量吸收的基本定律之一，其物理意義是當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比。人體血液中氧合血紅蛋白和全部可結(jié)合的血紅蛋白二者對光有不同的吸收特性[3]，根據(jù)這一定律，由兩個發(fā)光二極管交替發(fā)射出波長為660 nm的紅光和940 nm的紅外光，當雙波長光線透過手指照射到光敏管上使其產(chǎn)生光電效應(yīng)，動脈血液的脈動引起光程的不斷變化導(dǎo)致透射光強度的不斷變化，進而導(dǎo)致光電池內(nèi)部光電流的不斷變化，而這兩路透射光信號中直流和交流成分之比分別對應(yīng)血液中的氧合血紅蛋白和還原蛋白的含量，通過測量脈搏波的波峰和波谷的吸光度便可計算得到人體的血氧飽和度[4]。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

血氧檢測系統(tǒng)是通過跟蹤血液中的脈動成分對光吸收的變化程度而計算出人體血氧飽和度的。針對這一要求和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的需求本文設(shè)計出血氧檢測系統(tǒng)整體框圖，如圖1所示。

圖1 血氧檢測系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)主要由血氧檢測節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點兩部分構(gòu)成，血氧檢測節(jié)點首先采集人體的血氧，實現(xiàn)脈動信號到光信號到電信號的轉(zhuǎn)換過程，然后采用MSP430F149芯片對電信號進行一系列的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，得到準確度較高的血氧飽和度數(shù)據(jù)，最后將血氧飽和度的數(shù)值在顯示屏上展示出來，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)板，利用USB由網(wǎng)關(guān)板將血氧飽和度和心率數(shù)值發(fā)送直上位機，由上位機軟件實現(xiàn)結(jié)果的顯示、存儲等功能。

2.1 血氧檢測節(jié)點

血氧檢測節(jié)點主要分為MSP43F149主控的血氧檢測模塊和CC2530主控的射頻發(fā)射模塊兩個部分。MSP43F149主要負責血氧飽和度的采集和處理，CC2530則主要負責接收MSP43F149發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點[5]。血氧檢測節(jié)點硬件電路主要由光源驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MSP43F149芯片核心電路、CC2530核心電路組成。其中由MSP43F149主控的血氧檢測模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 血氧檢測模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點，也稱作協(xié)調(diào)器，負責發(fā)出控制命令和接收所有血氧檢測節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給外部網(wǎng)絡(luò)或者終端用戶PC機[6]。在本系統(tǒng)中，這一功能是通過USB接口和UART串行通訊接口來實現(xiàn)的，網(wǎng)關(guān)節(jié)點時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線設(shè)備連接的中轉(zhuǎn)站，負責發(fā)送上層命令，接收下層節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁、和路由選擇等功能，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中占有舉足輕重的作用[7]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)的無線通信。ZigBee協(xié)議定義了ZigBee可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz這3個頻段上, 本系統(tǒng)工作在免費的2.4 GHz頻段以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的通信，點對點最遠傳輸距離10～100 m的范圍[8]。而ZigBee是一種短距離、低功耗、低傳輸速率的無線通信技術(shù)，主要用于傳輸控制信息，特別適合用于電池供電的系統(tǒng)。其協(xié)議從下到上一共分5個部分：遵循IEEE 802.15.4協(xié)議標準的物理層和媒體訪問控制層，能夠使用戶根據(jù)自己需要開發(fā)的應(yīng)用層和負責網(wǎng)絡(luò)管理、安全保障的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，該技術(shù)的最大亮點在于還能夠為用戶提供機動靈活的組網(wǎng)方式且具備大規(guī)模的組網(wǎng)能力[9]。組網(wǎng)示意圖如圖4所示。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

注圖中：1-服務(wù)器；2-無線局域網(wǎng)；3-上位機；4-傳感器區(qū)域；5-USB或UART ；6-網(wǎng)關(guān)；7-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；8-匯聚節(jié)點；9-傳感器節(jié)點；10-路由節(jié)點。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

上位機軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心和顯示平臺，界面使用Microsoft Visual Studio .NET 2010和Access 2010[10]。該系統(tǒng)記錄了測試者的記錄識別碼、姓名、床位號、主治醫(yī)師、醫(yī)師電話和家屬電話等個人信息，給使用者提供友好的可視化圖形界面，便于查看和實時管理。

為了確定本系統(tǒng)采集獲得的數(shù)據(jù)的準確性和經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，采用江蘇魚躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)的血氧儀和本文的樣機進行標定實驗，由5名年齡段位于20～30歲且身體健康的測試者協(xié)助完成測試。測試進行一段時間上位機界面如圖5所示。

圖5 上位機界面

上位機測得的數(shù)據(jù)與標定設(shè)備所測得的同一時刻的血氧飽和度值對比如表1所示。

表1 本系統(tǒng)與專業(yè)血氧儀的測試結(jié)果對比

由表1可以看出血氧飽和度誤差保持在0.4% 以內(nèi)，最大誤差為0.34%。與標定設(shè)備測量的數(shù)值基本一致，同時上位機顯示的數(shù)據(jù)與終端節(jié)點液晶屏顯示的數(shù)值也完全一致。最后對采集的心率進行同樣的論證，實驗證明在該系統(tǒng)下測得的血氧飽和度和心率數(shù)據(jù)偏差都較小，該系統(tǒng)有較高的可行性和實時性，具有較好的應(yīng)用前景。

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Design of Oxygen Saturation Measurement System Based on ZigBee

LIU Tingting，LI Ruixiang，CHEN Cheng，LIU Yi

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200082，China)

In order to meet the demands in diversification, information and personalization of the monitoring system of oxygen saturation in the medical industry, a kind of oxygen saturation monitoring system based on ZigBee was designed. The system takes MSP430 and CC2530 as the core, and the patient’s blood oxygen saturation and heart rate can be collected at the same time, and the interface of the master computer was developed to realize the real-time display and storage of the data. Practice has proved that the system transmission network is relatively reliable, the distortion rate is low, the measurement error of blood oxygen saturation is less than 0.4%, and the system has high detection accuracy, and meets the requirements of the simultaneous monitoring of multiple physiological parameters.

oxygen saturation; ZigBee; MSP430; CC2530

2016- 03- 25

劉婷婷(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。李瑞祥(1967-)，男，工程師。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.044

TP274+.5

A

1007-7820(2017)01-161-03