饒珂萌

(3201醫(yī)院 感染性疾病科,陜西 漢中 723000)

0 引言

隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人體生理參數(shù)變化已經(jīng)成為醫(yī)護(hù)人員對(duì)病人治療的主要依據(jù)。在今年受疫情影響，全國(guó)醫(yī)護(hù)人員的工作量倍增，醫(yī)護(hù)人員需要同時(shí)對(duì)多個(gè)病人生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)。傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備需要醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)觀察和記錄，在今年這種疫情突發(fā)和病人激增的條件下，這種人工監(jiān)測(cè)方法不但工作效率低下，而且不能有效地保護(hù)醫(yī)護(hù)人員安全[1-4]。這種傳統(tǒng)的醫(yī)護(hù)監(jiān)測(cè)裝置已不能滿足醫(yī)護(hù)人員同時(shí)對(duì)多個(gè)病人生理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無(wú)線心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)，通過(guò)Zigbee組網(wǎng)以及GPRS協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的無(wú)線傳輸，醫(yī)護(hù)人員可以通過(guò)上位機(jī)或者移動(dòng)終端實(shí)時(shí)觀察病人的生理參數(shù)變化，可以滿足醫(yī)護(hù)人員的應(yīng)用要求。下位機(jī)是由脈搏傳感器和STM32控制器組成，可實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)時(shí)間對(duì)病人生理參數(shù)踐行采集。同時(shí)可以設(shè)置不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)不同病人同時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到的人體生理參數(shù)可以在中央護(hù)理系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)精度較高，可以為醫(yī)院進(jìn)行推廣。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)采集終端、Zigbee無(wú)線通信和協(xié)調(diào)器、GPRS網(wǎng)絡(luò)接入以及上位機(jī)等組成。通過(guò)控制器STM32驅(qū)動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)傳感器對(duì)不同病人生理信息進(jìn)行采集并在采集終端顯示，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)調(diào)器Zigbee將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯總節(jié)點(diǎn)，匯總節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、打包以及存儲(chǔ)再通過(guò)GPRS模塊上傳至上位機(jī)或者云平臺(tái)進(jìn)行顯示分析。整體系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 整機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 心電采集模塊設(shè)計(jì)

心電采集模塊采用自帶脈搏傳感器的光學(xué)傳感器構(gòu)成，心電采集模塊電路設(shè)計(jì)使用產(chǎn)生模擬信號(hào)的心電傳感器采集人體的心電信息，模擬信號(hào)經(jīng)濾波后，進(jìn)行ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換使模擬信號(hào)變?yōu)榭刂破骺梢宰R(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)IIC協(xié)議發(fā)送至控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。心電傳感器工作原理是利用光學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)的，心電傳感器中當(dāng)光感受器檢測(cè)到LED反射的光時(shí)，產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)低通濾波器濾波后，經(jīng)運(yùn)算放大器將信號(hào)放大后輸出，由于該傳感器采集到的信號(hào)比較微弱，容易受到噪聲影響，所以在采集端設(shè)計(jì)了放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行了放大同時(shí)設(shè)計(jì)了濾波電路對(duì)系統(tǒng)中的噪聲和干擾進(jìn)行了濾除，放大電路設(shè)計(jì)使用專門的儀器放大器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，濾波電路設(shè)計(jì)的低通濾波器截止頻率按照電路電阻電容計(jì)算設(shè)計(jì)為10 Hz，信號(hào)經(jīng)放大濾波電路后再經(jīng)PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)后傳給控制模塊進(jìn)行處理。心電電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 心電信號(hào)采集電路

1.2 無(wú)線模塊電路設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸模塊由Zigbee通信協(xié)調(diào)模塊和GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，Zigbee通信模塊主要采用CC2530芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，該芯片是由TI公司研發(fā)一款內(nèi)部含有一塊高效的處理器8051同時(shí)含有一款高性能2.4 GHz射頻收發(fā)器模塊的芯片，該款無(wú)線芯片構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成本比較低符合設(shè)計(jì)要求。其在系統(tǒng)中主要工作是收發(fā)通過(guò)處理器STM32處理按照算法處理好的各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)采集的人體生理參數(shù)[5-7]。Zigbee模塊是一款基于UART接口的全雙工無(wú)線透明傳輸模塊，可以工作在2 400～2 450 MHz公用頻段。符合IEEE 802.15.4協(xié)議的16個(gè)信道劃分，通過(guò)該模塊可以使傳統(tǒng)的串口設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，替換掉復(fù)雜的布線工作。支持不間斷發(fā)送，不限包長(zhǎng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信可實(shí)現(xiàn)0誤比特率傳輸，廣播模式下為5%的誤比特率以下。該芯片發(fā)射功率為20 dBm，芯片集成了一塊CC2591功放，可測(cè)距離達(dá)250 m。該模塊可根據(jù)實(shí)際需求，使用板載按鍵進(jìn)行設(shè)置，可以修改模塊的信道、波特率和工作模式。其模塊參數(shù)為工作頻率為2 400～2 450 MHz；發(fā)射功率為4.5 dBm；傳輸速率為最高3 300 Bps；傳輸距離可達(dá)250 m，支持工作模式兩種工作模式分別為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作模式、廣播工作模式；通信接口為UART串口(支持8種波特率)；Zigbee模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 Zigbee模塊的電路設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸功能，采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，該模塊電路設(shè)計(jì)選用型號(hào)為SIM800C作為核心模塊,此模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的工作是將Zigbee協(xié)調(diào)模塊得到的信號(hào)協(xié)調(diào)發(fā)送給服務(wù)器或者上位機(jī)，同時(shí)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值對(duì)比處理，如果發(fā)現(xiàn)和設(shè)置健康指數(shù)嚴(yán)重不符進(jìn)行啟動(dòng)醫(yī)護(hù)報(bào)警提示，或者將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給主治醫(yī)生手機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處理[8]。系統(tǒng)GPRS模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體軟件包括各個(gè)病人檢測(cè)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)，Zigbee和GPRS無(wú)線通信和協(xié)調(diào)軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行閾值醫(yī)護(hù)報(bào)警提示軟件設(shè)計(jì)，整體顯示模塊軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)5個(gè)部分。

2.1 各個(gè)病人檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

病人檢測(cè)采集終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，首先是整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位處理和各個(gè)采集傳感器模塊進(jìn)行初始化，各個(gè)病人節(jié)點(diǎn)傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)處理器按照相應(yīng)算法處理和校正后把信號(hào)通過(guò)Zigbee模塊對(duì)其進(jìn)行組網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。Zigbee模塊和處理器STM32是經(jīng)過(guò)串口進(jìn)行通信將處理器處理好的實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果傳給協(xié)調(diào)匯總節(jié)點(diǎn)。整個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示。

2.2 系統(tǒng)協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器在整個(gè)系統(tǒng)中作用是橋梁作用，是將不同采集端口得到的數(shù)據(jù)處理匯總打包發(fā)送給上位機(jī)的核心部分。其由處理模塊STM32、Zigbee通信模塊和GPRS無(wú)線發(fā)送模塊組成，首先是系統(tǒng)和各個(gè)模塊初始化，STM32處理器通過(guò)UART3控制Zigbee無(wú)線通信模塊進(jìn)行模塊之間的數(shù)據(jù)通信，將發(fā)送端口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次校驗(yàn)和分析處理傳輸給GPRS模塊，STM32處理器UART3和GPRS模塊之間通信可以將得到的數(shù)據(jù)重新打包處理再通多串口發(fā)送至服務(wù)器或PC機(jī)，同時(shí)也可將數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺(tái)。協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器流程圖

2.3 Zigbee模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Zigbee模塊是通過(guò)串口通信的方式與主控制單片機(jī)所連接。通過(guò)模塊上的按鍵配置為信道相同的兩個(gè)模塊，并設(shè)置工作模式一個(gè)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)A端，一個(gè)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)B端。無(wú)線模塊和單片機(jī)以串口的方式連接，為了區(qū)分不同終端和某一傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，終端采用數(shù)據(jù)頭+采集的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)尾，采集對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)又分為某一傳感器的數(shù)據(jù)頭和數(shù)據(jù)尾。數(shù)據(jù)主Zigbee和兩個(gè)從Zigbee之間通信采用點(diǎn)名式思想方案，當(dāng)主機(jī)發(fā)送一個(gè)字符o，1號(hào)終端接收此字符則發(fā)送當(dāng)前采集打包好的數(shù)據(jù)包，主機(jī)接收到這包數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析。判斷這包數(shù)據(jù)的尾時(shí)，繼續(xù)發(fā)送一個(gè)字符d，2號(hào)終端接收此命令字符，然后發(fā)送當(dāng)前的數(shù)據(jù)包，主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，接著以次程序的循環(huán)執(zhí)行。主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)使用串口中斷，當(dāng)接收到判斷到數(shù)據(jù)尾標(biāo)志位清0停止存放。最后主機(jī)合成終端一和終端二的數(shù)據(jù)，將次數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊的發(fā)送函數(shù)。Zigbee串口配置初始化和對(duì)應(yīng)傳輸協(xié)議流程如圖7所示。

圖7 Zigbee數(shù)據(jù)傳輸流程圖

2.4 GPRS模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)打包好的數(shù)據(jù)進(jìn)行了遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，采用GPRS模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)使用了GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議，其模塊的初始化以及功能的配置，都使用了32芯片的串口通信，以AT指令的方式，發(fā)送命令給模塊，以來(lái)配置模塊的波特率、激活移動(dòng)場(chǎng)景、無(wú)線透?jìng)髂Ｊ?、所要連接的遠(yuǎn)端服務(wù)器類型IP地址和目的端號(hào)等工功能信息。然后系統(tǒng)對(duì)SIM卡狀態(tài)愛(ài)是否在位進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、接入系統(tǒng)的SIM卡是否有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)；等待模塊初始化成功之后將采集打包好的數(shù)據(jù)以定時(shí)的方式，繼續(xù)通過(guò)AT指令發(fā)送出去。其軟件配置流程如圖8所示。

圖8 GPRS模塊配置流程圖

2.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中上位機(jī)是通多串口接收無(wú)線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)地根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制檢測(cè)節(jié)點(diǎn)心電圖，設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了一個(gè)人的上位機(jī)終端，系統(tǒng)同時(shí)可以設(shè)計(jì)5個(gè)以上檢測(cè)終端進(jìn)行觀察人體生理參數(shù)可以看心電圖，并通過(guò)指示燈的方式對(duì)曲線的跳動(dòng)規(guī)則進(jìn)行顯示，同時(shí)按照相應(yīng)算法進(jìn)行心理值的顯示。此系統(tǒng)上位機(jī)使用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行制作。上位機(jī)負(fù)責(zé)傳輸?shù)浇邮战K端的數(shù)據(jù)及其心電圖的顯示，LabVIEW是一款基于程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)不用代碼只需采用框圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以縮短開(kāi)發(fā)流程和時(shí)間，設(shè)計(jì)中LabVIEW設(shè)計(jì)滿足無(wú)線信號(hào)實(shí)時(shí)顯示波形數(shù)據(jù)[9-13]。同時(shí)終端的數(shù)據(jù)也可以同時(shí)發(fā)送給主治醫(yī)生的手機(jī)或者云端進(jìn)行醫(yī)療提醒，上位機(jī)的前面板Labview程序的UI顯示界面，包括了波形顯示、串口選擇、波特率設(shè)置件、狀態(tài)提示、脈搏血壓狀態(tài)指示燈、心率血壓血氧值顯示等控件。上位機(jī)設(shè)計(jì)界面如圖9所示。

圖9 LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)界面

程序面板為上位機(jī)的程序框圖，其作用是使得各控件之間能相互進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，以及系統(tǒng)與外部程序或接口之間進(jìn)行通信，比如操作計(jì)算機(jī)的串口，鏈接其他應(yīng)用程序，或者操作網(wǎng)絡(luò)接口等。與傳統(tǒng)代碼語(yǔ)言不同的是，Labview的編程使用的是圖形語(yǔ)言，其作用和傳統(tǒng)語(yǔ)言類似，屬于面向?qū)ο箢愋停瑑?yōu)點(diǎn)是相對(duì)傳統(tǒng)代碼語(yǔ)言來(lái)說(shuō)更加直觀，便于編寫。上機(jī)程序面板如圖10所示。

圖10 上位機(jī)程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 放大電路測(cè)試和濾波電路測(cè)試

由于傳感器采集信號(hào)微弱需要放大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種儀器放大電路，系統(tǒng)對(duì)傳感器放大電路設(shè)計(jì)采用MCP-6001運(yùn)算發(fā)達(dá)器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，放大器設(shè)計(jì)是利用運(yùn)放進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照放大電路的運(yùn)算規(guī)則設(shè)計(jì)了放大倍數(shù)為330倍左右上下可調(diào)的放大器裝置，測(cè)試中將脈搏傳感器采集到的微弱電信號(hào)接入放器的輸入端口，在輸出端口示波器可以觀察輸出信號(hào)的變化關(guān)系?？梢苑治鲇?jì)算出實(shí)際放大器的放大倍數(shù)。測(cè)試中采用雙通示波器進(jìn)行觀察，得到輸入輸出實(shí)際波形圖，通過(guò)示波器可以觀察到信號(hào)被明顯放大。測(cè)試心電信號(hào)放大器前后的心電圖結(jié)果如圖11所示。

圖11 放大電路輸入輸出結(jié)果測(cè)試

同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了濾波電路對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行噪聲處理，設(shè)計(jì)了一款低通濾波電路，低通濾波器設(shè)計(jì)采用RC積分低通濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，按照相應(yīng)硬件電路計(jì)算設(shè)計(jì)信號(hào)帶寬，該濾波器主要濾除電源和其他電路引如系統(tǒng)的高頻噪聲信號(hào)。測(cè)試中將脈搏傳感器接入濾波電路輸入端，用示波器同時(shí)測(cè)量輸入輸出信號(hào)的變化，比較輸入輸出的波形，觀察濾波效果。通過(guò)圖像觀察濾波器對(duì)噪聲濾除較好，符合設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)低通濾波器測(cè)試結(jié)果

3.2 發(fā)送終端顯示模塊測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中在各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)終端設(shè)計(jì)了顯示模塊，通過(guò)該模塊病人自己可以實(shí)時(shí)觀察自己身體參數(shù)顯示測(cè)得數(shù)據(jù)及心電波形圖，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的屏幕測(cè)試顯示分析，可以看出系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果良好，整個(gè)系統(tǒng)是在有噪聲和進(jìn)行取噪聲條件下進(jìn)行顯示分析，去噪發(fā)送端測(cè)試結(jié)果如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)發(fā)送終端顯示效果

3.3 對(duì)上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試分析

在接收機(jī)終端對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析測(cè)試，BPM數(shù)值是通過(guò)測(cè)量間隔時(shí)間進(jìn)行分析計(jì)算得到，測(cè)試條件是對(duì)同一人用設(shè)計(jì)系統(tǒng)和現(xiàn)有醫(yī)學(xué)通用儀器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，可以得到設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，誤差較小誤，誤差控制在3%以內(nèi)。測(cè)試對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 心率對(duì)比測(cè)試結(jié)果

同時(shí)數(shù)據(jù)可以通過(guò)設(shè)計(jì)好的上位機(jī)直觀地觀察所測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)設(shè)計(jì)的上位機(jī)可以看出系統(tǒng)工作正常，圖形界面顯示比較清晰，可以為醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行圖形分析，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。上位機(jī)顯示畫(huà)面如圖14所示。

圖14 位機(jī)顯示結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于GPRS和Zigbee的無(wú)線心電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)病人進(jìn)行醫(yī)護(hù)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)和現(xiàn)有通用醫(yī)學(xué)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明了該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)病人生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)2%。該系統(tǒng)能夠解決現(xiàn)有醫(yī)護(hù)人員對(duì)多個(gè)病人生理參數(shù)同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，可以為醫(yī)院推廣。