孫迎春， 徐建東， 劉文科

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

人體脈搏跳動(dòng)的頻率與強(qiáng)弱是生命特征的重要體現(xiàn)信號(hào)，同時(shí)也是人體健康狀況的重要信息體現(xiàn)［1］.診脈對(duì)我國(guó)中醫(yī)診斷具有重要地位.因此，有許多學(xué)者對(duì)脈搏信號(hào)的各種表現(xiàn)形式進(jìn)行了大量的分析與研究.傳統(tǒng)的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用有線方式進(jìn)行通信，但這種方式缺點(diǎn)較明顯［2］:首先，在信號(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，將傳感設(shè)備安裝在被監(jiān)護(hù)者身體上，監(jiān)護(hù)者活動(dòng)不方便，不能靈活自由地移動(dòng);其次，由于傳統(tǒng)系統(tǒng)在通信方式設(shè)計(jì)上不具有擴(kuò)展性，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用者在數(shù)量上很有限，而且容易造成電路復(fù)雜混亂，可操作性差.

本文介紹的脈搏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將采集的移動(dòng)人體的無(wú)線終端的脈搏數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，最后將監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中.該采集系統(tǒng)具有移動(dòng)性，不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，給患者的活動(dòng)帶來(lái)許多便利;同時(shí)，醫(yī)護(hù)人員可以方便實(shí)時(shí)觀察到人體活動(dòng)時(shí)的脈搏信號(hào).系統(tǒng)體積小、成本低、易操作、效果好.

1 實(shí)現(xiàn)原理

血液屬于高度不透明液體，其中含有許多血紅細(xì)胞，它們具有很強(qiáng)的吸收紅外線的功能［3］.人體動(dòng)脈血管隨心臟進(jìn)行周期性地收縮和舒張，當(dāng)動(dòng)脈血管的血液容積隨之變化時(shí)，動(dòng)脈血管附近的人體組織對(duì)于紅外光的透射性也隨之變化.此現(xiàn)象在人體組織較薄的部位最為明顯，本文信號(hào)采集選取手指部位，使信號(hào)更加容易采集［4］.

脈搏信號(hào)采用紅外傳感器來(lái)計(jì)數(shù)測(cè)量信號(hào)，并將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行放大、濾波等一系列處理，最后將由AVR單片機(jī)的A/D功能轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)ZigBee進(jìn)行傳輸，從而完成脈搏信號(hào)的采集和傳輸，最后在上位機(jī)進(jìn)行顯示.紅外光對(duì)管作為紅外線脈搏檢測(cè)元件，ATMEGA8單片機(jī)芯片為核心構(gòu)成信號(hào)處理模塊，ZigBee作為無(wú)線傳輸技術(shù).

2 路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)電路

人體脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示.首先，通過(guò)脈搏傳感器硬件裝置利用人體脈搏跳動(dòng)的變化，采集到脈搏的模擬信號(hào)，然后對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行前置放大，把微弱的脈搏模擬信號(hào)進(jìn)行初次放大，然后把信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波濾除脈搏信號(hào)中的高頻噪聲，再經(jīng)過(guò)二次放大電路調(diào)整模擬信號(hào)的幅值，最后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，最終將微弱的脈搏模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為高低電平的信號(hào)輸出，再利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，最后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)，供醫(yī)護(hù)人員檢索和回放.

2.2 前置放大電路

LM324集成運(yùn)算放大器具可變的增益輸出性質(zhì)，而且輸入阻抗高、模抑制比高、、差動(dòng)輸入等特點(diǎn)，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大［5］，所以選用LM324作為前置放大器.由于對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)需要二次放大，為了避免波形失真，前置放大為100倍.

圖1 系統(tǒng)框圖

2.3 濾波和主放大電路

采集到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大之后，會(huì)產(chǎn)生高頻干擾，由于脈搏波為低頻信號(hào)［6］，所以本系統(tǒng)采用RC低通濾波器進(jìn)行濾波.由于脈搏信號(hào)的頻率低于10Hz，RC濾波器的截止頻率為，所以設(shè)計(jì)R為100Ω，C為200uF，截止頻率為8Hz，該電路設(shè)計(jì)針對(duì)濾波技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)而且成本較低.由于原始電信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器的處理后，電信號(hào)變得比較微弱，信號(hào)幅值比較小，不利于我們觀察和分析，因此該信號(hào)必須通過(guò)較好的放大器進(jìn)行放大.我們選用可調(diào)的反向比例放大器，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大10倍之后，信號(hào)的峰值能夠達(dá)到1V左右，這樣的信號(hào)幅值就有利于醫(yī)護(hù)工作者觀察和分析.

2.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行計(jì)數(shù)和處理，并將數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口發(fā)送到ZigBee無(wú)線模塊.采用ATMEGA8芯片為核心設(shè)計(jì)，其具有在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下AVR單片機(jī)運(yùn)行速度最快;芯片內(nèi)部的Flsah、EEPROM、SRAM容量較大;集成A/D模數(shù)器;通信接口多;豐富的中斷源等優(yōu)點(diǎn).因此該電路具有高可靠性、高速度、低功耗的性能.

2.5 ZigBee無(wú)線傳輸

針對(duì)病患人群，需要選用對(duì)人體低輻射，人員移動(dòng)方便的無(wú)線組網(wǎng)傳輸，采用ZigBee作為傳輸模塊.選用新一代真正的片上系統(tǒng)CC2530芯片，該芯片是充分利用工業(yè)通信的2.4GHz的免費(fèi)頻段，其通信標(biāo)準(zhǔn)符合 IEEE802.15.4要求，因此該設(shè)計(jì)保證了短距離通信的有效性和可靠性.基于CC2530芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備通信速率高達(dá)250kbit/s，不但可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速、優(yōu)化組網(wǎng).CC2530芯片提供的外圍接口硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)幀格式，經(jīng)過(guò)軟件算法處理后的數(shù)字信號(hào)利用CC2530自身攜帶的Zig-Bee無(wú)線通信模塊，可以快速實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的無(wú)線傳輸.通信系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)容量大、實(shí)時(shí)、安全可靠等特點(diǎn).每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線連接.在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，ZigBee傳輸模塊之間都可以實(shí)現(xiàn)互相通信，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m擴(kuò)展至幾百米.系統(tǒng)具有良好的移動(dòng)性，廣泛適用于醫(yī)院移動(dòng)監(jiān)測(cè)、健康運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、家庭健康監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域.

圖2 系統(tǒng)程序流程圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分主要包括:AVR單片機(jī)的初始化、脈搏信號(hào)的采集分析處理、信號(hào)的無(wú)線傳輸三部分.AVR單片機(jī)的初始化是為主功能和子功能各模塊的正常工作做好準(zhǔn)備.首先上電，然后設(shè)置各種工作模式，設(shè)置波特率、工作時(shí)鐘、全局變量的初始化，啟動(dòng)相應(yīng)程序.脈搏信號(hào)的采集是利用紅外脈搏傳感器在手指部位采集信號(hào).信號(hào)的采集分析處理包括了信號(hào)的濾波、按鍵中斷程序以及信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換等.其作用是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給ZigBee模塊.信號(hào)的無(wú)線傳輸是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其作用是數(shù)字信號(hào)在ZigBee各個(gè)模塊中互相通信，構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)，最終通過(guò)串口將信號(hào)準(zhǔn)確可靠地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，并在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形.為確保信號(hào)傳輸安全可靠，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)程序流程如圖2所示.

程序首先進(jìn)行上電，然后進(jìn)行各個(gè)變量初始化，信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)發(fā)送到ZigBee模塊，最后將ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示.整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰嚴(yán)謹(jǐn)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的工作.

4 結(jié)論

通過(guò)脈搏信號(hào)采集及傳輸實(shí)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)能完成脈搏波形的采集，而且系統(tǒng)功耗較低，可靠性好，可以長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確采集人體一段時(shí)間內(nèi)的脈搏信號(hào)，并利用ZigBee無(wú)線技術(shù)傳輸給上位機(jī)，通過(guò)軟件分析可以實(shí)時(shí)計(jì)算出脈搏頻率.該系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)脈搏的變化率具有較高靈敏性，而且系統(tǒng)中硬件設(shè)備成本低，無(wú)線傳輸模塊功耗低，操作方便，易使用等優(yōu)點(diǎn).

通過(guò)軟件界面的脈搏波形圖，能夠清晰的計(jì)算出人體的脈搏頻率，且系統(tǒng)對(duì)脈搏頻率測(cè)量的誤差范圍在±5%之內(nèi)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo).ZigBee無(wú)線實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體的長(zhǎng)時(shí)間不間斷監(jiān)測(cè).本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是把ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到有線的脈搏波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，利用無(wú)線通信取代傳統(tǒng)有線傳輸，患者使用起來(lái)比較方便，而且醫(yī)療單位在管理方面效率也大大提高;同時(shí)，該系統(tǒng)還可以在原來(lái)的平臺(tái)上，將血壓、心電、呼吸等人體生命體征的一些信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)模塊集成到該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，為遠(yuǎn)程醫(yī)療以及家庭監(jiān)護(hù)等奠定基礎(chǔ)條件.醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程通過(guò)計(jì)算機(jī)界面觀察患者脈搏波形的變化情況，來(lái)準(zhǔn)確判斷該患者心血管系統(tǒng)的健康狀況.

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