摘  要： 設(shè)計(jì)了一種以MSP430F149為核心處理器，SD卡為數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，ZigBee無線數(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； 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)存在著無線輻射的安全性、無縫漫游和無線網(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)為傳感器信號的無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ZigBee技術(shù)組建的高可靠無線數(shù)據(jù)傳輸平臺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，主要是對患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，負(fù)責(zé)采集、一次存儲患者的心電數(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)的傳輸并通過第二部分，也就是由ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無線網(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），由專業(yè)的醫(yī)護(hù)人員對采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行二次存儲，并對患者提供相關(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)中對心電監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)方式，完成對患者心電數(shù)據(jù)的采集、一次存儲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)
    人體心電信號的主要頻率是0.05 Hz～100 Hz,幅度是0～4 mV,信號十分微弱，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，將經(jīng)過前置放大電路放大后的心電信號送到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，再將通過濾波處理后的心電信號送到50 Hz陷波器進(jìn)行處理，消除50 Hz工頻信號[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)過測試，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
    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，在完成對其讀寫的基礎(chǔ)上植入文件系統(tǒng)FAT32對采集到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。
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、從過去某一時(shí)刻開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。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，每棟單元樓對無線信號傳輸?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，減小建筑物對網(wǎng)絡(luò)信號的干擾，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RS232與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫連接起來進(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)的無線通信信道。

3.2 心電監(jiān)護(hù)儀與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信
     心電監(jiān)護(hù)儀通過ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無線通信網(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RS232與醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫連接，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)存儲在SD卡中并通過液晶實(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，它對患者的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行二次存儲，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言LabVIEW編寫程序，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)對患者的監(jiān)護(hù)。圖4是本上位機(jī)的程序流程圖。

5 系統(tǒng)測試
    為了對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，在實(shí)驗(yàn)室通過心電監(jiān)護(hù)儀采集人體的心電信號并同時(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。
    通過現(xiàn)場的測試結(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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