摘 要: 設(shè)計(jì)了一種以MSP430F149為核心處理器,SD卡為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備,ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組建的網(wǎng)絡(luò)為通信網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)思想與設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞: HHCE; 核心處理器; 數(shù)據(jù)存儲(chǔ); 數(shù)據(jù)傳輸; 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)
目前的家庭監(jiān)護(hù)儀主要基于紅外、藍(lán)牙等無(wú)線傳輸模式,但基于這些技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在著無(wú)線輻射的安全性、無(wú)縫漫游和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成本等不足之處[1]。ZigBee技術(shù)是一種新興的低功耗、低復(fù)雜度、通信可靠、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸,它的出現(xiàn)為傳感器信號(hào)的無(wú)線傳輸提供了新的解決方案。本文設(shè)計(jì)的正是一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),心電監(jiān)護(hù)儀通過(guò)ZigBee技術(shù)組建的高可靠無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)將采集到的患者心電數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)療服務(wù)中心,達(dá)到對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、實(shí)時(shí)醫(yī)療指導(dǎo)的目的。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)。
1 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括心電監(jiān)護(hù)儀和社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道。其中心電監(jiān)護(hù)儀主要完成患者心電數(shù)據(jù)的采集、一次存儲(chǔ)以及心電波形圖的顯示等;社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道主要完成心電監(jiān)護(hù)儀與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的無(wú)線通信,即患者和醫(yī)護(hù)人員之間的信息交互[2]。本系統(tǒng)主要分為三部分。
第一部分由若干個(gè)基于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊的心電監(jiān)護(hù)儀組成,主要是對(duì)患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù),負(fù)責(zé)采集、一次存儲(chǔ)患者的心電數(shù)據(jù)以及出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)的警報(bào);而ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸并通過(guò)第二部分,也就是由ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)(即第三部分),由專(zhuān)業(yè)的醫(yī)護(hù)人員對(duì)采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行二次存儲(chǔ),并對(duì)患者提供相關(guān)的醫(yī)療服務(wù),達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的。
2 心電監(jiān)護(hù)儀的硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中對(duì)心電監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)方式,完成對(duì)患者心電數(shù)據(jù)的采集、一次存儲(chǔ)以及心電波形圖的顯示,結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
2.1 采集電路的設(shè)計(jì)
人體心電信號(hào)的主要頻率是0.05 Hz~100 Hz,幅度是0~4 mV,信號(hào)十分微弱,再加上50 Hz的工頻干擾,使得心電的采集比較復(fù)雜[3]。為了有效地采集到心電信號(hào),將經(jīng)過(guò)前置放大電路放大后的心電信號(hào)送到0.05 Hz的高通濾波器和100 Hz的低通濾波器進(jìn)行濾波處理,再將通過(guò)濾波處理后的心電信號(hào)送到50 Hz陷波器進(jìn)行處理,消除50 Hz工頻信號(hào)[4],實(shí)現(xiàn)消除噪音的目的,得到較為理想的波形。
其中50 Hz陷波是設(shè)計(jì)的重點(diǎn),采用TI公司的OPA2137運(yùn)算放大器進(jìn)行雙T陷波電路的設(shè)計(jì),圖2是50 Hz陷波的設(shè)計(jì)電路。經(jīng)過(guò)測(cè)試,該電路能夠很好地抑制50 Hz工頻干擾。
2.2 心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)
SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代外接存儲(chǔ)設(shè)備,擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性等優(yōu)點(diǎn),支持SPI傳輸模式。本設(shè)計(jì)采用SPI模式,在完成對(duì)其讀寫(xiě)的基礎(chǔ)上植入文件系統(tǒng)FAT32對(duì)采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
2.3 心電波形的顯示
本設(shè)計(jì)采用TFT320×240液晶顯示屏設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面,幫助患者操作心電監(jiān)護(hù)儀。顯示界面主要包括心電波形圖、心電監(jiān)護(hù)儀的工作狀態(tài)以及SD卡存儲(chǔ)狀態(tài);顯示形式有字母、數(shù)字字符、中文字型及圖形等,并且根據(jù)不同情景設(shè)置了不同的顯示方式,如實(shí)時(shí)顯示、從過(guò)去某一時(shí)刻開(kāi)始顯示以及顯示周期可調(diào)等。
3 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)通信信道的設(shè)計(jì)
社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵是信息的遠(yuǎn)程交換,即患者在家中與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的信息交換。
本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò),并將其作為信息遠(yuǎn)程交換的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。包括心電監(jiān)護(hù)儀與ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的通信和ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的通信兩大部分。
3.1 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療中心機(jī)構(gòu)的通信
ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的通信就是ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)交換。每個(gè)傳輸模塊之間的傳輸距離可達(dá)2 000 m,傳輸速度可達(dá)115 200 b/s,發(fā)送模式靈活,節(jié)點(diǎn)類(lèi)型(中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn))可任意設(shè)置。在社區(qū)里,每棟單元樓對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)母蓴_較大,因此為了保證數(shù)據(jù)傳輸在單元樓之間的順暢,進(jìn)而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定,減小建筑物對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的干擾,增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,本設(shè)計(jì)將放置在單元樓頂層空曠處的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中繼或者終端節(jié)點(diǎn)。醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn),通過(guò)RS232與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接起來(lái)進(jìn)行交互[5]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的MESH網(wǎng)狀網(wǎng)作為整個(gè)社區(qū)的無(wú)線通信信道。
3.2 心電監(jiān)護(hù)儀與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信
心電監(jiān)護(hù)儀通過(guò)ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程通信,組成了社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。心電監(jiān)護(hù)儀與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有兩種不同的連接方式[6]。方式一:每棟單元樓用戶的心電監(jiān)護(hù)儀通過(guò)RS485總線方式與單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊連接,接入社區(qū)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);方式二:每棟單元樓每個(gè)用戶的心電監(jiān)護(hù)儀通過(guò)ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成星型網(wǎng),進(jìn)而接入社區(qū)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用方式二建立社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。
在整個(gè)系統(tǒng)中,用戶端的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為終端節(jié)點(diǎn),單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn),它們之間組成星型網(wǎng)絡(luò);而整個(gè)系統(tǒng)中單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中繼節(jié)點(diǎn),醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)狀網(wǎng);醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)RS232與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)連接,這樣心電監(jiān)護(hù)儀接入ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),完成患者與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)之間的無(wú)線通信。
4 社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括心電監(jiān)護(hù)儀(從機(jī))的設(shè)計(jì)和醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)上位機(jī)(主機(jī))的設(shè)計(jì)。
4.1 心電監(jiān)護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)
心電監(jiān)護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)主要包括心電數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及心電波形圖的顯示等。設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。該設(shè)計(jì)使用MSP430F149單片機(jī)片內(nèi)集成的ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換采集,然后將采集到的心電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中并通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示出心電波形圖。本設(shè)計(jì)采用單通道多次采樣方式,采集工作于中斷方式,由片內(nèi)定時(shí)器觸發(fā),通過(guò)定時(shí)器控制采樣頻率[7]。在患者出現(xiàn)突發(fā)情況或者心電監(jiān)護(hù)儀(從機(jī))需要將存儲(chǔ)的心電數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)(主機(jī))時(shí),采用串行中斷,使心電監(jiān)護(hù)儀與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行信息的無(wú)線傳輸[8]。
4.2 醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)上位機(jī)是社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心,它對(duì)患者的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行二次存儲(chǔ),方便醫(yī)護(hù)人員分析患者的病情給出康復(fù)指導(dǎo),接收心電監(jiān)護(hù)儀的報(bào)警并且及時(shí)提示給醫(yī)護(hù)人員使得患者得到及時(shí)的治療指導(dǎo)。使用圖形化的編輯語(yǔ)言LabVIEW編寫(xiě)程序,實(shí)現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)對(duì)患者的監(jiān)護(hù)。圖4是本上位機(jī)的程序流程圖。
5 系統(tǒng)測(cè)試
為了對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)心電監(jiān)護(hù)儀采集人體的心電信號(hào)并同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)保存在SD卡中,加入手機(jī)的通信干擾,10 s以后通過(guò)按鍵操作將SD卡中的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī),并且在上位機(jī)顯示出心電波形圖。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果表明:上位機(jī)和心電監(jiān)護(hù)儀之間的數(shù)據(jù)通信可靠、安全、抗干擾能力強(qiáng);并且滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、高效性的要求。
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