楊 猛，呂 衛(wèi)，宋 垣

（1.天津大學 電子信息工程學院，天津 300072；2.南京炮兵學院廊坊校區(qū)，河北 廊坊 065000）

當今，隨著社會競爭日趨激烈，生活壓力日益增長，心血管疾病發(fā)病率也逐漸升高，并且出現(xiàn)心血管疾病患者年輕化的趨勢。心腦血管疾病死亡率高、致殘率高、發(fā)病率高，在人類死亡病因中占最高比重，成為人類健康的頭號殺手。關注心臟狀況，預防和治療心血管疾病已成為社會研究熱點。心電圖對于監(jiān)控心臟活動狀態(tài)具有重要作用，所以便攜式心電監(jiān)護儀在家庭中得到了廣泛應用。

市面上已有的便攜式心電監(jiān)護儀將數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、顯示模塊集成于一體，使得功耗、成本居高不下，并且相比可穿戴便攜設備略顯笨重?？纱┐魇皆O備在不影響用戶正?；顒拥那疤嵯拢軌?qū)崟r檢測人體狀態(tài)，且具有較低的功耗，因此具有更好的市場前景。

文獻[1]提出了一種基于Android平臺的動態(tài)心電圖顯示終端設計，其利用藍牙實現(xiàn)ECG數(shù)據(jù)的傳輸，并將處理后的心電波形實時顯示在Android終端。本系統(tǒng)與之相比，利用藍牙BLE實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，藍牙BLE是藍牙低功耗版本，比傳統(tǒng)藍牙功耗更低，續(xù)航時間更長。另外，本系統(tǒng)除采集ECG數(shù)據(jù)外，還能采集呼吸數(shù)據(jù)，檢測用戶的呼吸頻率是否正常。

1 系統(tǒng)設計與數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)整體流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作流程

1）數(shù)據(jù)采集模塊負責從人體表面采集ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)，并通過藍牙BLE將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿覣ndroid設備。

2）為確保Android應用軟件在后臺運行時數(shù)據(jù)的正常接收，在Service組件中實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。同時，在此組件中完成耗時較多的一系列數(shù)據(jù)解析、處理，并將處理過的數(shù)據(jù)在文件中備份。

3）由于Service組件是不可見的，為實現(xiàn)心電圖的動態(tài)顯示，需將處理好的數(shù)據(jù)暫存到Activity數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

4）通過繪圖線程，將ECG波形顯示于顯示屏上。

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示，包括模擬前端ADS1292R、控制芯片CC2540、電池和SD卡。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊（照片）

ADS1292R采集電路具有高阻抗和高共模抑制比，適于采集微弱電信號；CC2540通過SPI接口讀取數(shù)模轉(zhuǎn)換器ADS1292R采集到的呼吸和ECG數(shù)據(jù)并通過藍牙BLE傳輸給移動Android設備，其集成度高，功耗低。在不需要實時傳輸數(shù)據(jù)的情況下，該模塊也可以將采集的數(shù)據(jù)存儲到本地SD卡中。

2 應用程序設計

2.1 藍牙BLE簡介

藍牙BLE技術是藍牙4.0的核心技術之一，是對傳統(tǒng)藍牙BR/EDR技術的補充。與傳統(tǒng)藍牙相比，BLE具有縮短無線開啟時間、快速建立連接、降低收發(fā)峰值功耗等特性，從而實現(xiàn)低功耗。傳統(tǒng)藍牙設備的一個重要缺陷是耗電量大，它使用了32個廣播信道，而藍牙BLE技術[2]僅使用了3個廣播信道，且廣播模式啟動時間也由傳統(tǒng)藍牙的22.5 ms減少到0.6～1.2 ms，極大地降低了因為廣播數(shù)據(jù)導致的待機功耗。此外，藍牙BLE技術將傳統(tǒng)藍牙的空閑狀態(tài)改進為深度睡眠狀態(tài)，深度睡眠狀態(tài)下功耗極低。廣播階段，藍牙BLE技術避免了重復掃描，設備連接過程可在3 ms內(nèi)完成，而傳統(tǒng)藍牙需100 ms以上。低功耗藍牙對數(shù)據(jù)包長度進行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27 byte）數(shù)據(jù)封包，并使用了隨機射頻和增加了GFSK調(diào)制索引，大大降低了數(shù)據(jù)收發(fā)的復雜性，有效降低了峰值功率。

Android系統(tǒng)為藍牙BLE開發(fā)提供了專門的API。支持Android設備作為服務器或客戶端與遠端藍牙BLE設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 Android設備與心電采集模塊通信流程

Android設備與心電采集模塊通信流程如圖3所示。數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)通過藍牙BLE傳輸給Android設備，數(shù)據(jù)包括ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均以18個字節(jié)組成的數(shù)據(jù)包格式發(fā)送。接收到數(shù)據(jù)首先根據(jù)標志位判斷屬于哪類數(shù)據(jù)，分別做不同處理。對于ECG數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量比較大，發(fā)送頻率高，ECG數(shù)據(jù)包接收順序可能會出現(xiàn)錯誤，所以接收到ECG數(shù)據(jù)后首先要根據(jù)數(shù)據(jù)包的序列號將數(shù)據(jù)調(diào)整為正確順序。由于ECG數(shù)據(jù)和呼吸數(shù)據(jù)都是24位精度，而數(shù)據(jù)包格式是以字節(jié)為單位的，因此要將字節(jié)型數(shù)據(jù)調(diào)整為整型。由于采集的數(shù)據(jù)中存在工頻干擾、基線漂移[3]等影響，需對原始數(shù)據(jù)進行一系列濾波處理，得到標準的ECG數(shù)據(jù)，然后將處理好的數(shù)據(jù)存入文件以備以后查看。以上操作運算量較大、耗時較長，是在Android應用程序Service組件中運行的，而Service組件是不可見的，這就需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂锌梢暬缑娴腁ctivity中。為使應用程序具有較好的運行性能，為Activity中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)設定閾值，當數(shù)據(jù)量達到閾值，將數(shù)據(jù)傳入繪圖線程，顯示給用戶。對于呼吸數(shù)據(jù)，由于不需要向用戶顯示呼吸曲線，只需在Service組件中將計算得到的呼吸率結果傳遞到Activity中顯示給用戶即可。另外，呼吸數(shù)據(jù)中會插入表示采集模塊狀態(tài)的狀態(tài)位，例如電量低、導聯(lián)脫落等信息；處理呼吸數(shù)據(jù)時，要檢查這些狀態(tài)位，并將狀態(tài)信息通過通知及時反饋給用戶。

圖3 通信流程圖

2.3 心電圖繪制模塊

開啟心電圖繪制線程[4]后，首先檢查是否收到結束線程命令，若收到結束命令，則結束繪圖線程，如果沒有，則判斷數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)個數(shù)是否大于5個，若大于5個，則以5個數(shù)據(jù)為單位在SurfaceView上繪制心電圖[5]，直到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)小于5個，否則睡眠50 ms，讓出CPU資源，在下次獲得CPU資源時，重復上述步驟。繪圖模塊流程圖如圖4所示。

圖4 繪圖流程圖

繪制心電圖時，若數(shù)據(jù)不足一屏，則原數(shù)據(jù)顯示位置不變，新數(shù)據(jù)加在原數(shù)據(jù)之后；若數(shù)據(jù)個數(shù)超過一屏顯示個數(shù)，則舊的數(shù)據(jù)前移，新數(shù)據(jù)始終出現(xiàn)在屏幕最右側(cè)。心電圖繪制效果如圖5所示。

圖5 心電圖繪制效果（截圖）

3 測試結果與分析

該軟件的主要功能為接收并存儲數(shù)據(jù)模塊發(fā)送的心電波形數(shù)據(jù)，并將處理后的心電數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上；另外，可及時將計算出的心率和呼吸率等參數(shù)顯示出來，使用戶可以更直觀地了解身體狀態(tài)。

測試時，首先令數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送標準正弦波和方波，用Google公司的Nexus 7二代平板PC。經(jīng)測試，平板PC可以正確穩(wěn)定地接收數(shù)據(jù)而無丟包現(xiàn)象，并能夠?qū)⒔邮盏降牟ㄐ螖?shù)據(jù)實時顯示到顯示屏上。使用容量為800 mAh的充電電池做續(xù)航能力測試，數(shù)據(jù)采集模塊可以持續(xù)工作72 h以上。

初步測試成功后，利用數(shù)據(jù)采集模塊采集人體心電數(shù)據(jù)，繪制出心電圖如圖6所示。

實驗表明，Android設備能夠穩(wěn)定、實時地接收數(shù)據(jù)，心電波形顯示清晰、流暢，心電采集模塊續(xù)航時間長，系統(tǒng)設計達到了預期目的。

圖6 實測人體心電圖（截圖）

4 結束語

心電監(jiān)護設備已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，正朝著實時性、便攜性、智能化的方向發(fā)展。與當前現(xiàn)有的相關產(chǎn)品相比，本文設計了一種基于藍牙BLE的心電監(jiān)護系統(tǒng)，功耗低，續(xù)航能力強，實時性能良好，并且具有對心率、呼吸率是否正常的檢測功能，便于用戶使用。

[1] 楊德龍，褚晶輝，楊博菲，等.基于Android平臺的動態(tài)心電圖顯示終端設計[J].計算機應用，2013（S2）：283-285.

[2] 范晨燦.基于藍牙4.0傳輸?shù)腁ndroid手機心電監(jiān)護系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學，2013.

[3] 李剛，劉巍，虞啟璉，等.抑制工頻干擾及基線漂移的快速算法[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2000，19（1）：99-103.

[4] 楊德龍.基于Android系統(tǒng)的藍牙無線動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)設計[D].天津：天津大學，2013．

[5] 崔浩然.基于Android平臺的手機游戲的設計與實現(xiàn)[D].西安：西安科技大學，2011.