基于zigbee的無線傳輸脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、研究論著基于的無線傳輸脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)王芳吳效明（華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系。廣州）【摘要】目的：設(shè)計(jì)了一種基于技術(shù)的無線傳輸脈搏檢測系統(tǒng)。方法：由控制單元將脈搏傳感器采集到的人體淺表動脈處的搏動信號通過模擬電路的預(yù)處理。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號。再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳給控制和顯示單元中的信息處理單元，進(jìn)行處理和顯示，同時將數(shù)據(jù)通過無線通訊單元發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)存儲數(shù)據(jù)，供醫(yī)護(hù)人員檢索和回放。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)能夠?qū)θ梭w的脈搏信號進(jìn)行實(shí)時采集，同時可通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時、安全、可靠的通信。結(jié)論：該檢測系統(tǒng)通過運(yùn)用無線通信技術(shù)，可以通過人體隨身攜帶的無線終端采集到脈搏數(shù)據(jù)使采集系統(tǒng)具有移

2、動性，因此能廣泛適用于健康運(yùn)動監(jiān)測、醫(yī)院移動監(jiān)測等領(lǐng)域?！娟P(guān)鍵詞】；脈搏渡；檢測系統(tǒng)；【中圖分類號】文獻(xiàn)標(biāo)志碼】【文章編號】（），（，），鼠眥，他啪咖，煳【。，（）：，】；引言脈搏信號】是人體重要的生理信號。其中包含人體重要的生理病理信息。在我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中，脈診在中醫(yī)診斷中占有重要地位。脈診就是從脈搏信號中感知人體的病理信息。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展特別是信號檢測處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展。人們對脈搏信號的檢測分析進(jìn)行了很多有意義的研究腳。以往的解決方案是采用有線方式，這種方式主要有兩個缺點(diǎn)：一是在監(jiān)測過程中，被監(jiān)護(hù)者受身上安裝的傳感設(shè)備限制，難以自由靈活地移動，很不舒服；其次，系統(tǒng)沒有擴(kuò)

3、展性，造成監(jiān)測設(shè)備線路復(fù)雜混亂，醫(yī)護(hù)人員不易操作。本課題研究的脈搏檢測系統(tǒng)采用基于的無線傳輸技術(shù)?？梢酝ㄟ^人體隨身攜帶的無線終端采集到脈搏數(shù)據(jù)，使采集系統(tǒng)具有移動性避免了固定設(shè)備給患者帶來的不便并且可以采集到人體活動時的 收稿日期：伽哼一修回日期：卸基金項(xiàng)目：廣東省科學(xué)技術(shù)廳研究基金項(xiàng)目（）作者簡介：王芳（一）女河南新鄉(xiāng)人碩士研究生。主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號檢測及傳感器設(shè)計(jì)：吳效明（），男四川內(nèi)汀人。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事醫(yī)學(xué)儀器開發(fā)、醫(yī)學(xué)圖像處理等研究工作。脈搏信號。是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。能在上千個微小的傳感器之間相互協(xié)

4、調(diào)。實(shí)現(xiàn)通信，可完成數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合及傳輸，是無線通信領(lǐng)域的一個新的研究熱點(diǎn)在運(yùn)動健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域和醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析人體脈搏波檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示。本結(jié)構(gòu)主要由部分組成：脈搏信號采集單元、控制單元和無線發(fā)送單元。系統(tǒng)工作流程如下：）顯示豳槲介糾）移妙報警圈系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)首先由控制單元發(fā)出開始檢測脈搏信號的指令。脈搏檢測模塊開始工作；然后，將脈搏傳感器采集到的人體醫(yī)療衛(wèi)生裝備年月第卷第期一研究論著淺表動脈處的搏動信號通過模擬電路的預(yù)處理送至進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；最后，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳給控制和顯示單元中的信息處理單元，一方面對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示

5、，另一方面將數(shù)據(jù)通過無線通訊單元發(fā)送到上位機(jī)由上位機(jī)進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)，供醫(yī)護(hù)人員檢索和回放。脈搏檢測模塊的硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)在本研究設(shè)計(jì)的模塊中，采用公司生產(chǎn)的芯片實(shí)現(xiàn)了模塊的整體控制。采用了以往芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了射頻（）前端、內(nèi)存和微控制器，此外還集成了具有的可編程閃存和的，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、協(xié)同處理器、看門狗定時器、晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及個町編程引腳。分為個部分即采樣，將模擬信號采樣轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，包括采樣率、采樣路數(shù)等；八位控制處理單元，完成對信號的濾波、增強(qiáng)、壓縮等數(shù)字處理；無線通訊單元，將信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，供護(hù)士或者醫(yī)生實(shí)時觀察。

6、信號處理生物電信號具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點(diǎn)，而且處于嚴(yán)重的背景噪聲之中?；谶@些特殊性應(yīng)用于人體生理信息測鼠的模擬電路應(yīng)具有高輸入阻抗和高共模抑制比；為適應(yīng)生理信號幅度和輸出的幅度范圍。應(yīng)有足夠大的增益；電路既要濾除各種干擾又要頻帶合適以便得到信號檢出時的最大保真度。因此，本研究設(shè)計(jì)的脈搏波信號的檢測部分由傳感器電路、前置放大電路、濾波電路、主放大電路組成，通過轉(zhuǎn)換，最終將脈搏波的信號轉(zhuǎn)換為高低的電平信號輸出。模擬信號處理電路如圖所示。圖模擬信號處理電路傳感器電路設(shè)計(jì)根據(jù)脈搏測量原理嘲，壓力式脈搏傳感器用于感測靜壓力和脈搏波的混合信號，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于壓力式脈搏傳感器的輸出為

7、微弱信號。幅值在需要先放大，再進(jìn)行下一步處理。本系統(tǒng)脈搏傳感器采用壓電薄膜式壓力傳感器。薄膜（聚偏氟乙烯）具有明顯的壓電特性，其壓電常數(shù)比砑壓電陶瓷高倍而密度卻只有壓電陶瓷的。它具有很高的強(qiáng)度與很寬的頻響（），材料薄（幾微米至幾百微米）而柔軟，具有很好的時間和溫度穩(wěn)定性。前置級放大電路本系統(tǒng)選用美國公司的精密儀表放大器作為前置放大器，它具有差動輸入、輸入阻抗高、可變增益輸出、共模抑制比高等特點(diǎn)，非常適合對微弱的電壓信號進(jìn)行放大。由于后面還要對信號進(jìn)行主放大。所以前置級的放大倍數(shù)不能太大，以免波形失真。本系統(tǒng)在前置級只放大倍。濾波和放大電路由于脈搏信號中混有靜壓力。靜壓力近似直流，其頻率范圍為加

8、，脈搏波為準(zhǔn)周期信號其頻率范嗣為。，通過多次觀察和比較僅當(dāng)系統(tǒng)的高通濾波器采用截止頻率，為時，才可以比較好地濾除靜壓力信號。然而，通過高通濾波器出來的波形里面還混合著一些高頻信號因此還必須進(jìn)行低通濾波，本系統(tǒng)采用截止頻率為的四階低通濾波可很好地濾除高頻信號。因?yàn)榈屯V波出來的信號還是比較微弱，不利于觀察和分析所以必須進(jìn)行放醫(yī)療衛(wèi)生裝備年月第卷第期厶刮大。于是我們采用可調(diào)的正向放大電路放大倍后，波形的峰值可達(dá)到左右，比較利于醫(yī)護(hù)人員的觀察和分析。脈搏檢測模塊的軟件電路設(shè)計(jì)脈搏檢測模塊的軟件設(shè)計(jì)包括的軟件設(shè)計(jì)、模擬信號的轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號的無線發(fā)送。的軟件設(shè)計(jì)在軟件實(shí)現(xiàn)中采用模塊化設(shè)計(jì)將其按功能分為

9、主功能模塊和子功能模塊等各部分來設(shè)計(jì)，它包括了轉(zhuǎn)換、信號的濾波與壓縮、波形的分析程序、按鍵中斷程序以及數(shù)據(jù)發(fā)送程序和數(shù)據(jù)存儲等。轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬最轉(zhuǎn)換為時問離散、幅值也離散的數(shù)字信號，因此，轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼等個過程。本系統(tǒng)采用單片機(jī)自帶的位進(jìn)行采樣，設(shè)定采樣率為。采樣過程中。模擬信號輸入到的口，由轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送至上位機(jī)，用于波形顯示和其他功能的實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號的無線發(fā)送在本系統(tǒng)中，所使用的通信標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)同。該設(shè)計(jì)采用芯片，該芯片符合標(biāo)準(zhǔn)要求可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)?？梢詫?shí)現(xiàn)多點(diǎn)對

10、多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。為的數(shù)據(jù)幀格式提供了硬件支持，處理后的數(shù)字信號通過自身攜帶的無線通訊單元實(shí)現(xiàn)了信號的無線傳輸。實(shí)驗(yàn)分析（下轉(zhuǎn)第頁）研究論著線發(fā)送給主控制器，并將氣中所存數(shù)據(jù)清空。數(shù)據(jù)處理部分此部分程序包括系統(tǒng)外圍各部分接口器件函數(shù)、用戶參數(shù)設(shè)定、獲取各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理等功能，這些功能由主控制器完成。其工作流程如圖所示。結(jié)束語圈主控制器流程并嘗試將此平臺應(yīng)用到計(jì)算機(jī)游戲的控制中，利用與計(jì)算機(jī)的接進(jìn)行通訊。平臺將游戲者的動作進(jìn)行采集后根據(jù)不同的動作信息控制游戲中的人物完成各種動作。取代了傳統(tǒng)的鍵盤或手柄控制，其控制效果較好。該平臺應(yīng)用技術(shù)較為先進(jìn)利用多傳感器組成多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。并利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行

11、無線通訊。本系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點(diǎn)在于其在結(jié)構(gòu)組成上采用了模塊化結(jié)構(gòu)，分為傳感器信息采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、上位機(jī)，這樣的模塊化設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)可方便、有效地應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)】【】宋浩然，廖文帥，趙一鳴基于加速度傳感器”的高精度計(jì)步器【】傳感技術(shù)學(xué)報，（）：一【】程祥人體動作識別的研究【】計(jì)算機(jī)知識與技術(shù)，（）：【】張大蹤。楊濤魏東梅一種低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)叨儀表技術(shù)與傳感器，（）：【】強(qiáng)錫富傳感器【】北京：機(jī)械業(yè)出版社，【】王田苗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā)【】北京：清華大學(xué)出版社【】吳明暉基于的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用【】北京：人民郵為了驗(yàn)證此平臺的實(shí)際臨床效果，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，電出

12、版社，一一斗卜卜卜卜一（上接第頁一）為了驗(yàn)證無線傳輸脈搏波檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，我們使用該系統(tǒng)對名被測者（靜坐狀態(tài)下）進(jìn)行脈搏波形檢測。第名被測者為男性，身高（；第名被測者也為男性，身高；人均無高血壓病史。被測者坐姿，自然放松通過緩慢深呼吸改變自身狀態(tài)脈搏波傳感器放置于手部橈尺動脈搏動處。圖和圖為采集到的人在平穩(wěn)狀態(tài)下的脈搏波形。從結(jié)果中。我們可以比較清晰地計(jì)算出人的脈搏頻率大約都為次。且利用該模塊對脈搏頻率測量的誤差范圍在±之內(nèi)。該模塊實(shí)現(xiàn)了對人體的長時間監(jiān)測，因此可以通過脈搏波形在一定時間內(nèi)的變化及趨勢。評價用戶的心血管系統(tǒng)的健康狀況。聰醚采樣次數(shù)次圈第名被測者穩(wěn)狀態(tài)下脈搏渡

13、采樣次數(shù)次田第名被測者穩(wěn)狀態(tài)下脈搏渡結(jié)論上面兩個實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究研制的這種新型穿戴式無線脈搏波檢測系統(tǒng)能夠長時間地比較準(zhǔn)確、可靠地檢測到完整的脈搏波形而且通過軟件分析可以實(shí)時計(jì)算出呼吸頻率并能根據(jù)一定時間內(nèi)脈搏波形的變化對用戶心血管系統(tǒng)的健康狀況做出評估。本系統(tǒng)對脈搏的變化具有較高的靈敏性，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、易使用等優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益預(yù)計(jì)達(dá)萬元。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)是把脈搏波檢測系統(tǒng)和，無線傳感器技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)了脈搏信號的無線傳輸，給患者帶來了行動上的便利而且還可以與心電、呼吸、血壓等檢測模塊集成多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，為家庭監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等創(chuàng)造了條件。顯示出了廣闊的應(yīng)用前景?！緟⒖嘉墨I(xiàn)【

14、】費(fèi)兆馥現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué)【】北京：人民衛(wèi)生出版社，【】羅志昌，張松，楊益民脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用【】北京：科學(xué)出版社【】甘素榕，鄒濤，翁哲基于的無線通信設(shè)計(jì)陰科技資訊，（）：【】鄧親愷現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理【】北京：科學(xué)出版社，【】王炳和高血壓患者脈搏信號的采集與頻譜分析】聲學(xué)技術(shù)。，（）：【】金觀昌，于淼，鮑乃鏗多點(diǎn)脈搏波計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)研究【清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版。（）：【刀王秀梅，劉乃安射頻芯片實(shí)現(xiàn)無線通信設(shè)計(jì)忉國外電子元器件，（）：醫(yī)療衛(wèi)生裝備年月第卷第期瓦帥啪 基于ZigBee的無線傳輸脈搏檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者：王芳， 吳效明， WANG Fang， WU Xiao-ming作者單位：華南理工大學(xué),生物醫(yī)學(xué)工程系,廣州,510006刊名：醫(yī)療衛(wèi)生裝備英文刊名：CHINESE MEDICAL EQUIPMENT JOURNAL年，卷(期：2009，30(6引用次數(shù)：0次參考文獻(xiàn)(7條1. 費(fèi)兆馥 現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué) 20032. 羅志昌. 張松. 楊益民 脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用 20063. 甘素榕. 鄒濤. 翁哲 基于CC2430的Zigbe