胡玫， 王永喜

(蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

隨著生活水平的逐步提高，人們對健康的關(guān)注程度也日益增加。由于受到醫(yī)療資源緊張和分布不均勻等現(xiàn)實(shí)情況的制約，傳統(tǒng)的疾病診療模式已不能滿足人們對醫(yī)療的需求，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)護(hù)、早期預(yù)防的全新醫(yī)療技術(shù)越來越受到重視[1]。

Van Dam等學(xué)者于2001年提出了無線體域網(wǎng)(wireless body area betwork，WBAN)的概念，它是無線傳感網(wǎng)的一個重要分支[2-4]。由于該技術(shù)可采集、傳輸和存儲人體生命體征信息，同時具有無線傳感網(wǎng)的自組織、自適應(yīng)、以數(shù)據(jù)為中心、體積小和成本低等特點(diǎn)，使得無線體域網(wǎng)迅速成為國內(nèi)外醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中解決實(shí)時監(jiān)護(hù)及早期預(yù)防問題的主流技術(shù)[5-8]。

本文設(shè)計(jì)一款可穿戴式的無線體域網(wǎng)信息監(jiān)測系統(tǒng)，它融合低功耗嵌入式處理器、無線體域網(wǎng)和藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人體體溫、心率、血壓生理參數(shù)的實(shí)時采集、數(shù)據(jù)存儲、無線傳輸和監(jiān)測功能[9-13]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考慮到無線體域網(wǎng)應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的便攜性、低功耗、無線通信和無創(chuàng)安全等基本要求，設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)。系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)、中央監(jiān)測模塊和手機(jī)(終端)組成。生命體征感知節(jié)點(diǎn)采集人體體溫、心率和血壓生理參數(shù)，并進(jìn)行預(yù)處理和存儲，然后以無線通信的方式到達(dá)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再利用嵌入式處理器STM32將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)APP顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 生命體征感知和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1.1 處理器模塊

使用CC2530芯片作為生命體征感知和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的處理器。該芯片是德州儀器研發(fā)的新一代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之上，集成了RF收發(fā)器、增強(qiáng)8051內(nèi)核和Flash存儲器等資源。它的最小系統(tǒng)所需外圍電路包括晶振電路、射頻天線電路和復(fù)位電路，如圖2所示。

X1取值為32 MHz，它與負(fù)載電容C17和C18共同組成高頻振蕩器，為CC2530的主時鐘提供振蕩源。X2取值為32.768 kHz，它與負(fù)載電容C19和C20共同組成低頻振蕩器，為系統(tǒng)需要的時間精度提供一個穩(wěn)定的時鐘校準(zhǔn)信號。

通過由C9～C15、L2～L4構(gòu)成的巴倫匹配電路，SMA單極性天線將單端信號變?yōu)椴罘中盘?，然后將?shù)據(jù)通過CC2530芯片的RF_P和RF_N引腳進(jìn)行通信。

復(fù)位電路主要是在需要重啟系統(tǒng)時使用:當(dāng)RST復(fù)位鍵按下時，芯片RESET_N經(jīng)R24電阻接3.3 V，獲得10 kΩ電阻上所分得的電壓，形成高電平，進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”；當(dāng)RST復(fù)位鍵斷開時，芯片RESET_N接地，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開始正常工作。

2.1.2 體溫測量模塊

采用IR紅外非接觸式溫度計(jì)模塊GY-MCU90615測量人體溫度。該模塊由數(shù)字式紅外傳感器芯片MLX90615、嵌入式微處理器STM8S003P6組成。

MLX90615是由Melexis公司生產(chǎn)的高精度數(shù)字式測溫芯片，測溫范圍為-40～115 ℃。可通過SMBus總線修改E2PROM中的控制字，減小測溫范圍，提高測量精度。MLX90615主要由紅外熱電堆傳感器、低噪聲放大器、16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP單元等組成。

STM8S003P6是意法半導(dǎo)體針對工業(yè)應(yīng)用和消費(fèi)電子開發(fā)的8位微控制器，具有高達(dá)20 MIPS的CPU性能和2.95～5.50 V的電壓范圍，包含豐富的外設(shè)：10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，16位定時器可用于馬達(dá)控制，捕獲/比較和PWM功能，CAN2.0B接口，U(S)ART接口，I2C端口以及SPI端口等。

紅外熱電堆傳感器將采集到的紅外輻射信號轉(zhuǎn)化為電信號，并經(jīng)過低噪聲放大器放大后送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號經(jīng)低通濾波器濾波、數(shù)字信號處理器處理后，保存在MLX90615的內(nèi)部RAM中，通過SMBus方式由STM8S003P6微控制器讀取后，利用串口發(fā)送到體溫感知節(jié)點(diǎn)的CC2530，如圖3所示。

圖3 GY-MCU90615與CC2530連接電路圖

2.1.3 心率、血壓測量模塊

心率、血壓測量模塊MKB0705由YKB1712心率血壓傳感器、HRB6708心率芯片、SFB9710算法MCU和JZ11711血壓校準(zhǔn)芯片組成。

心率波傳感器YKB1712采用光電式容積心率波描記(PPG)的方式感知并采集人體的心率和血壓信息，經(jīng)過HRB6708心率芯片、SFB9710算法芯片后，利用串口輸出信號到感知節(jié)點(diǎn)的CC2530，如圖4所示。當(dāng)血液流過微血管時，血液容積在心臟搏動下出現(xiàn)脈動性變化，反映出心搏功能和血液流動等諸多心血管的重要信息。

圖4 心率、血壓測量模塊MKB0705框圖

光電容積心率波描記法通常利用光電器件發(fā)射、接收光信號并轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)行血壓等參數(shù)監(jiān)測。該方法擺脫傳統(tǒng)血壓測量中袖帶的束縛，非常適合應(yīng)用于可穿戴式設(shè)備對人體血壓和心率等的連續(xù)監(jiān)測。

2.2 中央監(jiān)測模塊

STM32F103是ST公司研發(fā)的32位ARM微控制器，主頻最高可以達(dá)到72 MHz，外設(shè)資源豐富且各具特色，包括ADC、通用定時器、I2C總線接口、SPI接口和CAN總線接口等，非常適合作為可穿戴設(shè)備中的主處理器。它的最小系統(tǒng)包括復(fù)位、晶振和JTAG接口等單元電路，如圖5所示。

圖5 中央監(jiān)測模塊電路圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的P0_2、P0_3引腳與主處理器的PA2～PA3引腳連接，通過串口將體溫、血壓和心率生理參數(shù)送入主處理器。

顯示器采用1.3英寸(1英寸=2.54 cm)的OLED屏幕，其驅(qū)動芯片為SSH1106，內(nèi)部RAM為123×64，使用I2C接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，SCL時鐘、SDA數(shù)據(jù)引腳分別與主處理器的PB6～PB7引腳連接。

HC-05藍(lán)牙串口模塊工作頻段為2.4 GHz，采用全雙工無線通信模式，引腳RX、TX與主處理器的PB10～PB11連接。與手機(jī)的藍(lán)牙模塊匹配后，通過手機(jī)串口測試APP即可顯示實(shí)時采集的數(shù)據(jù)。

使用6個按鍵設(shè)置血壓、心率和體溫參數(shù)閾值的上、下限，分別與主處理器IO口的PA8～PA13引腳連接。

2.3 電源模塊

3.7 V的可充電鋰電池經(jīng)過升壓模塊輸出5 V的電壓為體溫測量模塊、OLED和藍(lán)牙模塊供電。5 V電壓經(jīng)過AMS1117-3.3后降壓為3.3 V為生命體征感知節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、心率、血壓測量模塊和STM32F103最小系統(tǒng)供電，如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化，無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)成功后，生命體征感知節(jié)點(diǎn)采集體溫、心率和血壓數(shù)據(jù)，發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由中央監(jiān)測模塊通過藍(lán)牙模塊在手機(jī)APP上顯示體溫、心率和血壓信息，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖

4 測試分析

由于耳膜(鼓膜)溫度最接近人體真實(shí)體溫，因此采用耳帶式進(jìn)行體溫測量。將心率、血壓感知模塊置于手腕處，體域網(wǎng)組網(wǎng)成功后，利用手機(jī)APP發(fā)送控制命令，即可顯示采集的數(shù)據(jù)，如圖8～圖11所示。

經(jīng)測試表明，設(shè)計(jì)的無線可穿戴體域網(wǎng)信息監(jiān)測系統(tǒng)能夠采集、存儲和傳輸人體生理參數(shù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)滿足要求。產(chǎn)生誤差的主要原因是生命體征數(shù)據(jù)以無線方式傳輸，同時測試對象偶爾不規(guī)則的姿勢和身體的快速移動都會對測試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。表1所示的測試結(jié)果為連續(xù)監(jiān)測下生命體征數(shù)據(jù)的平均值。

表1 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)一款可穿戴式無線體域網(wǎng)信息監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)具有實(shí)時采集、存儲、傳輸和監(jiān)測人體生命體征信息的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能指標(biāo)達(dá)到要求，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)護(hù)、早期預(yù)防疾病的功能。