(江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

無線功率優(yōu)化的穿戴式人體健康監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

吉奕

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

傳統(tǒng)的可穿戴式健康監(jiān)護終端多采用恒定的無線發(fā)射電平，普遍存在較為嚴重的功耗問題;研制了以MSP430F149微控制器和低功耗藍牙通信為核心的人體監(jiān)護終端，能在不同環(huán)境下無創(chuàng)、實時監(jiān)測和記錄人體心電、血氧、血壓等特征數(shù)據(jù)；采用改進的無線功率調(diào)控方案優(yōu)化無線通信和數(shù)據(jù)傳輸，以最優(yōu)服務(wù)質(zhì)量QoS、信號強度RSSI和最小誤包率PER為指標，優(yōu)化監(jiān)護終端的功率消耗;測試結(jié)果表明，監(jiān)護終端功耗差別不超過1.58 mW時，改進的無線功率調(diào)控方案具有更強的信號強度RSSI和更小的誤包率PER。

穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)；無線發(fā)射功率；功耗優(yōu)化；信號強度；藍牙

0 引言

隨著無線通信和傳感技術(shù)的發(fā)展，穿戴式系統(tǒng)逐漸成為監(jiān)護管理人體健康、監(jiān)測生理特征狀態(tài)參數(shù)的重要途徑。在不同環(huán)境中，穿戴式監(jiān)護系統(tǒng)能無創(chuàng)實時采集人體心電、血氧、血壓等生命特征數(shù)據(jù)[1]，借助無線傳輸建立與個人健康服務(wù)管理平臺間的聯(lián)系，進而評估、診斷人體的健康狀態(tài)，以預防某些疾病的發(fā)生。但實際使用時，穿戴設(shè)備的無線傳輸存在較為明顯的功耗問題[2]，且需要在復雜的時、空域 電磁噪聲背景下監(jiān)測微弱的生理信號，極易造成被測數(shù)據(jù)的誤碼誤包，影響穿戴設(shè)備的使用性能。因此，在保證無線傳輸服務(wù)質(zhì)量QoS和低誤碼誤包率的前提下，優(yōu)化穿戴設(shè)備的無線發(fā)射功率具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對終端無線發(fā)射功率的優(yōu)化主要以通信服務(wù)質(zhì)量QoS為目標，借助關(guān)于提高數(shù)據(jù)包傳輸效率的門限窗[3]、等誤比特率假設(shè)[4]、路徑損耗估計[5-6]、誤包率最小模型[7-8]等算法，進而實時調(diào)控和優(yōu)化監(jiān)護設(shè)備的無線發(fā)射功率。但這些算法需要在不同時域和空域電磁噪聲環(huán)境下反復調(diào)試，開發(fā)周期較長，且優(yōu)化帶來的費效問題顯著，不適于控制穿戴式監(jiān)護設(shè)備的研發(fā)成本。

針對上述問題，本文以MSP430F149為核心設(shè)計發(fā)射功率可調(diào)控的穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)，應(yīng)用改進的最優(yōu)發(fā)射功率調(diào)控方案解決無線傳輸時監(jiān)護終端存在的功耗問題。在保證無線傳輸服務(wù)質(zhì)量QoS、信號傳輸強度RSSI和最小誤碼誤包率PER的前提下，優(yōu)化穿戴設(shè)備的無線發(fā)射功率，便于延長監(jiān)護系統(tǒng)的服役壽命。

1 總體設(shè)計

穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)主要由穿戴設(shè)備、智能手機和遠程健康管理服務(wù)器等部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1。穿戴設(shè)備包含功能獨立的人體生理參數(shù)監(jiān)測模塊，在頭、胸和手腕等部位布置的傳感器節(jié)點采集血氧、心電ECG和血壓等生理信號。監(jiān)測的生理特征經(jīng)監(jiān)護終端控制器的濾波、放大以及個人局域網(wǎng)PAN內(nèi)有效的藍牙無線通信，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到具有藍牙協(xié)議BLE的用戶智能手機等終端設(shè)備上，再利用智能設(shè)備的GPRS通信功能，將用戶終端接入到遠程健康服務(wù)平臺，實時交互與人體健康相關(guān)的生理特征參數(shù)，反饋表征生理特征的健康狀態(tài)，從而實現(xiàn)對用戶身體健康狀態(tài)的遠程監(jiān)護和管理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主電路設(shè)計

穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)主電路以應(yīng)用靈活、體積小、功耗低和性價比優(yōu)越的MSP430F149微處理器為控制核心，其工作電壓為1.8～3.6 V，正常運行功耗約0.29 mA，支持多種低功耗運行模式。MSP430微控制器具有先進的RISC技術(shù)，可通過直接內(nèi)存存儲提高微處理器的處理效率。MSP430外部配置穿戴式健康監(jiān)護終端的最小系統(tǒng)，包括供電電源(5 V/3.3 VDC)、晶振(8 MHz主時鐘MLCK和32.768 kHz活動時鐘ACLK)、復位電路、512 K閃存Flash和藍牙通信BCM20730等模塊，如圖2。

圖2 穿戴式健康監(jiān)護系統(tǒng)主電路

微控制器MSP430的片上資源豐富，集成256 K閃存Flash、串口UART、調(diào)試接口JTAG等模塊，其片上12位ADC適于測量生理特征電壓等信號。主電路采用+5 V和+3.3 V的直流電源供電，通過4個控制位調(diào)節(jié)CPU和外部設(shè)備的時鐘節(jié)拍，以支持微控制器的5種低功耗運行模式。芯片內(nèi)置閃存Flash控制器，通過內(nèi)部寄存器設(shè)定、寫和擦除配置的512 K閃存AT25，以適應(yīng)藍牙間歇運行狀態(tài)，且便于存儲較大容量的生理監(jiān)護數(shù)據(jù)。微控制器具有JTAG接口，允許對穿戴式健康監(jiān)護終端進行調(diào)試。監(jiān)護設(shè)備與用戶低功耗BLE協(xié)議終端(智能手機)間的無線傳輸采用BCM20730藍牙模塊，發(fā)射功率為4 dBm或0 dBm，并通過UART口實現(xiàn)MSP430與藍牙BCM20730模塊之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 健康監(jiān)護檢測電路設(shè)計

2.2.1 血氧檢測電路

血氧參數(shù)測量基于朗伯-比爾定律[9-10]，其基本原理是利用近紅外600～1 000 nm波段的光波經(jīng)顱骨或腦組織反射后，由光強頻率轉(zhuǎn)換為測量入射和反射光波的強度，再根據(jù)不同組織和結(jié)構(gòu)的消光系數(shù)和光強吸收比率推算大腦的血氧飽和度。

血氧測量采用紅外660 nm和940 nm波段發(fā)送-接收電路，其測量裝置位于頭部，紅外發(fā)射器件為660/940 nm的SMT型雙波長激光二極管LED，通過恒流型驅(qū)動芯片MBI5168控制，如圖3，接收傳感器為TSL237光電壓轉(zhuǎn)換元件，能將660 nm和940 nm兩個波長的反射光強轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入到穿戴式監(jiān)護終端的MSP430主控制器。

圖3 血氧檢測驅(qū)動

2.2.2 心電ECG監(jiān)測電路

心電ECG信號有效監(jiān)測的頻率范圍約為0.05～100 Hz[11]。心電測量電路如圖4所示，系統(tǒng)采用集成型的單導芯片AD8232。其中，2個醫(yī)用電極一上、一下分別置于心臟兩側(cè)，電極采集的心電ECG信號輸入到單導芯片AD8232的+IN和-IN兩端口，且電極與AD8232間接線構(gòu)成小型的共模電感，能有效抑制共模噪聲對心電ECG信號的影響。

圖4 ECG檢測電路

2.2.3 血壓監(jiān)測電路

血壓參數(shù)的測量采用集成信號調(diào)理、補償、放大和驅(qū)動控制模塊為一體的MPX5050 GP傳感芯片，監(jiān)測部位為手腕部，芯片輸出電壓0.2～4.7 V對應(yīng)0～50 kPa的壓力信號，再經(jīng)RC濾波、差分放大和穿戴式監(jiān)護終端控制器MSP430處理轉(zhuǎn)化為0～375 mmHg血壓值，如圖5所示。

圖5 血壓檢測電路

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

3.1 藍牙通信與數(shù)據(jù)傳輸

穿戴式監(jiān)護終端數(shù)據(jù)傳輸和無線通信選用AFH自適應(yīng)快速跳頻模塊BCM20730，交替使用不同無線技術(shù)以提高信息傳輸速率，通過加強的功率控制EPC、單向廣播減少邏輯鏈路和協(xié)議配置流程，由協(xié)議棧對數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)配置適當?shù)纳漕l輸出，進而降低空閑狀態(tài)的無線功率電平、節(jié)省電能損耗。

標準的藍牙通信數(shù)據(jù)幀格式如圖6。訪問碼標識數(shù)據(jù)幀，可用于同步穿戴式監(jiān)護終端和智能手機(遠程健康管理平臺)間的監(jiān)護參數(shù)。鏈路控制信道信息映射到對應(yīng)的分組頭內(nèi)，包含成員地址、數(shù)據(jù)類型、流控方式、自動重傳請求、序列號和錯誤校驗等位[12]。凈荷含有需要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，主要將穿戴式監(jiān)護終端監(jiān)測的人體生理參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸?shù)街悄苁謾C上。

圖6 標準的藍牙數(shù)據(jù)幀

自適應(yīng)快速跳頻AFH主要用于周期性判定藍牙傳輸信道數(shù)據(jù)的通信服務(wù)質(zhì)量QoS，以便于優(yōu)選無線收發(fā)信道，避免通信干擾。最優(yōu)通信信道的建立依靠穿戴式監(jiān)護終端和智能手機間的尋呼掃描過程，即接收端(智能手機)按地址標識符ID尋呼發(fā)射端(穿戴式終端)，對應(yīng)發(fā)射端應(yīng)答回復DAC后，接收端響應(yīng)發(fā)出調(diào)頻數(shù)據(jù)包以建立傳輸信道。

藍牙模塊BCM20730的初始化、空閑、運行等工作模式依靠微控制器MSP430對UART串口的控制。其中，對BCM20730的初始化設(shè)置波特率為9 600，數(shù)據(jù)格式包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，其代碼程序如下：

void UART_Init(void)

{

P9OUT&=～BIT6;

UCA2CTL1|=UCSWRST; //串口復位

UCA2CTL1|=UCSSEL0; //串口時鐘選擇活動時鐘ACLK

UCA2CTL0&=～UC7BIT; //8位數(shù)據(jù)傳輸

UCA2BR0=0x03;

UCA2BR1=0x00;

UCA2MCTL=0x06; //波特率設(shè)為9600

UCA2CTL1&=～UCSWRST; //清除串口的復位標志

UCA2IE|=UCRXIE; //串口接收中斷使能

__bis_SR_register(GIE); //使能中斷

P9OUT|=BIT6;

}

BCM20730初始化后，藍牙模塊繼續(xù)接收穿戴式監(jiān)護終端控制器MSP430的確認指令，藍牙模塊由初始化轉(zhuǎn)為空閑工作模式。當監(jiān)護終端需要與智能手機交互數(shù)據(jù)時，BCM20730進入運行工作模式，其與人體生理特征相關(guān)的監(jiān)護參數(shù)通過函數(shù)void pack_message(uchar *)打包發(fā)送。

3.2 無線發(fā)射功率優(yōu)化改進

藍牙模塊BCM20730具有4 dBm和0 dBm兩級發(fā)射功率，可根據(jù)穿戴式監(jiān)護終端和智能手機間的有效距離d優(yōu)化終端的無線發(fā)射功率P(dBm)。在實際應(yīng)用時，接收端的信號強度RSSI與有效距離d滿足關(guān)系式：

(1)

式中，A為有效距離d=1 m時的接收信號強度(dBm)；n為衰減系數(shù)。顯然，若式(1)信號強度RSSI推算的有效距離d<10 m時，發(fā)射功率的最小值Pmin設(shè)定為0 dBm；反之，Pmin設(shè)為4 dBm，以保證監(jiān)護終端與智能手機間無線通信正常。傳統(tǒng)的發(fā)射功率最小值Pmin主要取決于式(1)推算的有效距離d。但發(fā)射功率的最小值Pmin是否最優(yōu)仍存在歧義：

1)受時空環(huán)境內(nèi)復雜電磁噪聲、空間障礙物和相對位置等因素影響，當有效距離d<10 m時，式(1)推算規(guī)定的最小發(fā)射功率0 dBm并不能保證誤碼誤包率PER最低；

2)藍牙通信時，主控制器MSP430需要頻繁推算有效距離d，即便能使無線發(fā)射功率降低，但也會增加整體監(jiān)護設(shè)備的功耗，降低終端的服役壽命。

因此，對于穿戴式監(jiān)護終端與智能手機間的藍牙通信，要求終端發(fā)射功率不低于式(1)規(guī)定的Pmin，且需要綜合考慮接收端信號強度RSSI、誤碼誤包率PER和設(shè)備功耗等問題。

監(jiān)護終端的發(fā)射功率P(dBm)與有效距離d、藍牙功放增益G和無線數(shù)傳速率Rb有關(guān)[13-14]。減小功放增益G和數(shù)傳速率Rb可降低穿戴式終端的無線發(fā)射功率，但功放增益G的降低會影響誤碼誤包率PER，容易造成無線接收失誤。而考慮式(1)規(guī)定的有效距離d，可通過監(jiān)控信號強度RSSI、調(diào)整功放增益G和速率Rb減少藍牙BCM20730在空閑狀態(tài)發(fā)射功率損耗。改進的最小發(fā)射功率Pmin滿足關(guān)系式：

式中，G為誤包率PER最低時藍牙功放增益；Rb為數(shù)據(jù)傳輸速率(bps)。改進的最優(yōu)發(fā)射功率調(diào)控流程如圖7所示，具體步驟如下：

1)藍牙自適應(yīng)調(diào)頻AFH周期性判定信道的通信質(zhì)量QoS，選擇最優(yōu)的信道建立穿戴式監(jiān)護終端和智能手機間發(fā)送-接收信道，進而保障穿戴式監(jiān)護終端和智能手機間藍牙通信服務(wù)質(zhì)量QoS；

2)監(jiān)測智能手機端接收到的信號強度RSSI，并將RSSI作為數(shù)據(jù)包凈荷的有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱┐魇奖O(jiān)護終端；

3)穿戴式監(jiān)護終端主控制器MSP430利用void unpack_message(uchar *)函數(shù)解包含RSSI的數(shù)據(jù)包，并以接收到的RSSI為指標，在藍牙誤碼誤包率PER最低的條件下，通過void handle_data(void)函數(shù)處理RSSI，優(yōu)化減少監(jiān)護終端藍牙功放增益G；

4)重復2)～3)步驟，以智能手機端監(jiān)測的誤碼誤包率PER為數(shù)據(jù)包凈荷有效數(shù)據(jù)，通過void handle_data(void)函數(shù)處理低PER和較強信號強度時藍牙模塊允許的最大傳輸速率Rb；

5)由式(2)、優(yōu)化處理后的功放增益G和最大傳輸速率Rb推算改進后監(jiān)護終端的最優(yōu)發(fā)射功率Pmin，并利用邏輯電平控制穿戴式監(jiān)護終端實際的功率輸出。

圖7 改進的發(fā)射功率調(diào)控流程

藍牙模塊BCM20730的發(fā)射功率調(diào)控依靠穿戴式監(jiān)護終端主控制器MSP430的初始化配置，為藍牙4 dBm和0 dBm兩級發(fā)射功率提供邏輯電路電平。當改進的最優(yōu)發(fā)射功率Pmin為0 dBm時，單步降低邏輯電平；反之，Pmin為4 dBm時，單步提高邏輯電平。所使用的邏輯電平程序代碼如下：

void halBoardSetVCore(unsigned char level)

{

unsigned char actLevel;

if(Get_Device_Type() F5438A) // 在系統(tǒng)程序hal_tlv.c中定義

{

do {

actLevel = PMMCTL0_L & PMMCOREV_3;

if (actLevel < level) // 單步提高邏輯電路電平

halBoardSetVCoreUp(++actLevel);

if (actLevel > level) // 單步降低邏輯電路電平

halBoardSetVCoreDown(--actLevel);

}

while (actLevel != level);

}

}

4 測試結(jié)果分析

為驗證改進后的穿戴式監(jiān)護終端的無線發(fā)射功率優(yōu)化效果，按不同有效距離d(0.5～14.5 m)分別在間隔0.5 m處設(shè)置對比，監(jiān)測智能手機所接收的信號強度RSSI、誤碼誤包率PER和監(jiān)護終端整體的消耗功率，如圖8所示。

圖8 測試結(jié)果分析

在圖8(a)中，隨有效距離d增大(不超過14.5 m)，智能手機端的信號強度RSSI逐漸減小。改進前，按式(1)調(diào)控穿戴式監(jiān)護終端的發(fā)射功率，對應(yīng)的信號強度RSSI減小幅度大。當有效距離d=0.5 m時，RSSI接近-50 dBm，而有效距離d=10.5 m時，RSSI接近-80 dBm，隨有效距離d增大，信號強度變化了30 dBm，即表征在有效距離d的遠端，智能手機所接收的監(jiān)護數(shù)據(jù)能力較差。而改進后終端發(fā)射功率按式(2)優(yōu)化，其對應(yīng)的信號強度RSSI變化較小，不超過10 dBm，基本能確保RSSI在[-59 dBm，-52 dBm]區(qū)間范圍內(nèi)。顯然，改進后的藍牙通信具有較強的被接收能力。

而圖8(b)中，誤碼誤包率PER與有效距離d關(guān)系不明確，當有效距離d≤3.5 m時，改進前、后無線通信的誤碼誤包率PER差別不大。但隨有效距離d繼續(xù)增大，改進后的誤碼誤包率PER最大不超過1.7%，而改進前PER在某些測試位置高達6%，進一步表明改進后藍牙通信具有更低的通信失誤概率。

圖8(c)中，隨有效距離d增大，改進前、后監(jiān)護終端消耗的功率都增加。但若考慮改進前、后監(jiān)護終端需要滿足相同的信號接收強度RSSI范圍[-59 dBm，-52 dBm]、誤碼誤包率PER不超過1.7%等要求，顯然，要兼顧通信服務(wù)質(zhì)量QoS，改進前監(jiān)護終端需要附加額外的功率損耗，而改進后則可保證QoS，使監(jiān)護系統(tǒng)具有更合理的發(fā)射功率輸出。

綜上對比分析，改進后監(jiān)護終端消耗功率更合理，能使穿戴式監(jiān)護終端和智能手機間具有更高的信號接收強度RSSI和更低的誤碼誤包率PER。

5 結(jié)論

本文利用MSP430F149微控制器研制了一種能實時無創(chuàng)監(jiān)測人體心電ECG、血氧、血壓等生命特征參數(shù)的穿戴式監(jiān)護終端，硬件采用發(fā)射功率可調(diào)的低功耗藍牙模塊BCM20730和自適應(yīng)快速跳頻AFH實現(xiàn)監(jiān)護終端與智能手機間數(shù)據(jù)傳輸和無線通信。穿戴式監(jiān)護終端采用改進的發(fā)射功率調(diào)控方案，以無線傳輸服務(wù)質(zhì)量QoS、接收信號強度RSSL和最小誤碼誤包率PER為指標，優(yōu)化穿戴式監(jiān)護終端的功率消耗，有效解決了藍牙模塊在空閑狀態(tài)時的電能損耗等問題。經(jīng)對比測試表明，在同等RSSL和PER指標條件下，改進后終端消耗功率優(yōu)化顯著。

[1]Hill J, Szewczyk R, Woo A, et al. System architecture directions for networked sensors[J]. Acm Sigops Operating Systems Review, 2000, 35(11):93-104.

[2]王子洪. 基于WSN穿戴式系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2012, 27(2):62-65.

[3]方明科, 李 蕾. 一種用于WLAN的自適應(yīng)發(fā)射功率控制方案[J]. 計算機工程, 2012, 38(13):86-88.

[4]王智鷹, 何 晨, 蔣鈴鴿. 基于最小發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)制多輸入多輸出系統(tǒng)[J]. 上海交通大學學報, 2006, 40(3):391-393.

[5]吳明慧, 嚴正香. 基于自適應(yīng)調(diào)制與發(fā)射功率控制的WLAN功耗降低解決方案[J]. 華中師范大學學報(自然科學版), 2007, 41(4):533-536.

[6]Correia L, Macedo D, Dos S, et al. Transmission power control techniques for wireless sensor networks[J]. Computer Networks, 2007, 51(17):4765-4779.

[7]孫佩剛, 趙 海, 羅玎玎,等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路通信質(zhì)量測量研究[J]. 通信學報, 2007, 28(10):14-22.

[8]馬 楓, 初秀民, 嚴新平. 內(nèi)河AIS船臺自適應(yīng)發(fā)射功率調(diào)節(jié)技術(shù)[J]. 中國航海, 2013, 36(1):28-34.

[9]韓素敏, 王裕清. 近紅外無損腦血氧檢測技術(shù)[J]. 激光與紅外, 2008, 38(7):659-661.

[10]王志宇, 袁江濤, 周 珺,等. 頭戴式血氧檢測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 科技資訊, 2016, 14(17):119-124.

[11]俞文彬, 謝志軍. 基于穿戴式心電信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2015, 34(9):65-68.

[12]Muller N J. Bluetooth demystified[M]. New York: McGraw-Hill, 2001.

[13]Salvadori F, De Campos M, Sausen P S, et al. Monitoring in industrial systems using wireless sensor network with dynamic power management[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, 2009, 58(9):3104-3111.

[14]孫行行, 盧 偉, 錢宇寧, 等. 一種新型節(jié)能無線傳感節(jié)點的設(shè)計與組網(wǎng)[J]. 南京信息工程大學學報:自然科學版, 2011, 3(5):391-397.

WearableSystemDesignforMonitoringPhysiologicalHealthwithWirelessTransmittingPowerOptimization

Ji Yi

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Traditional wearable health monitoring terminals have more serious power consumption problems in common, with a constant wireless emission level. The human monitoring terminal has been developed by MSP430F149 microcontroller and low-power Bluetooth communication, and non-invasive, real-time monitored, recorded human ECG, blood oxygen, blood pressure and other characteristic data in different environments. Wireless communication and data transmission has selected improved wireless power control program, and wireless transmitting power has been optimized with quality of service QoS, signal strength RSSI and the minimum packet error rate PER.Test results show that the improved wireless power control scheme has stronger signal strength RSSI and minimum packet error rate PER when monitoring terminals have consumed power less than 1.58 mW.

wearable health monitoring system; wireless transmitting power; power optimization; signal intensity; bluetooth

2017-04-08；

2017-05-21。

吉 奕(1981-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，講師，主要從事射頻系統(tǒng)開發(fā)、生物醫(yī)學信號分析與處理等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0019-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.006

TP274

A