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基于ZigBee的可穿戴心电监护系统设计方案

导读: 提出了一种可穿戴式心电医疗监护系统设计方案,该方案利用ZigBee技术将若干可穿戴心电检测终端根据需求构建相应结构的无线传感器网络,由服务主机完成数据汇总、存储、显示等一系列信息化管理功能。

  摘 要: 提出了一种可穿戴式心电医疗监护系统设计方案,该方案利用ZigBee技术将若干可穿戴心电检测终端根据需求构建相应结构的无线传感器网络,由服务主机完成数据汇总、存储、显示等一系列信息化管理功能。无线传感器网络节点主要由心电监测芯片BMD101、STC微处理器和CC2530无线收发模块等构成。设计作品结果表明,该方案可行,并获得第十四届广东省电子设计大赛三等奖。

  0 引言

  心电图检测监护仪是临床诊断、监测心血管疾病的动态心电图分析系统的重要组成设备[1],在有效地预防、监护心脏疾病中发挥着越来越重要的作用。但常规心电监护仪需要病患静卧测量,受时间、医疗场所等限制,不能适应病患发病的突发性、间歇性、短暂性等特点。同时常规监护仪存在价格昂贵、体型笨重、不易移动的不足,无法满足患者长期实时监控、记录并分析的需要。为此,很多新型的便携式技术方案[2-3]与无线通信技术方案被提出[4-9],但普遍不能满足可穿戴的要求。相关信息显示,到2017年,世界上将会出现6.4亿个可穿戴设备,它们主要用来监测人的身心健康。从可穿戴的健康追踪设备、放松冥想监测设备、睡眠监测设备、心脏状况监测设备到智能手表和眼镜,可穿戴产品具有广阔的发展空间。

  本文提出一种基于专用心电芯片BMD101的可穿戴心电图监测系统的设计方案,以满足实时监护和数据的存储、处理与报警等数据管理信息化新形势下医疗护理的需求。

  1 心电芯片BMD101

  BMD101是美国NeuroSky推出的第三代生物信号检测和处理的SoC芯片,图1(a)所示为8脚封装。1脚为片选控制端,2脚为ECG模拟输入端正极,3脚为ECG模拟输入端负极,4、5脚为UART收发端,6脚为系统复位端,7、8脚为电源端。该芯片体积小,功耗低且采用干电极传感器。其与微处理器的接口电路通过图1(b)所示的UART实现,因此可以很便利地应用于可穿戴设备及便携式设备中。

基于ZigBee的可穿戴心电监护系统设计

  BMD101模拟前端主要由低噪声放大器、ADC模数转换器以及一个检测感应器脱落的检测电路组成,具有极佳的消噪功能。可采集从?滋V到mV的生物信号,采样频率为512 Hz,模拟数字转换器采用16位精度。结果经过截止频率为100 Hz的低频滤波器滤波后,通过UART输出。

基于ZigBee的可穿戴心电监护系统设计

基于ZigBee的可穿戴心电监护系统设计

  BMD101数据包输出格式则采用ThinkGear Packets类型,如图2(a)所示[10]:数据包的报头由两个同步帧和一个告知有效数据长度的字节构成;紧接着发送实际数据代码;最后发送有效数据的校验和。其中有效数据内部也按照一定的格式定义来确定所发送的数据性质及其具体表征内容及含义,如图2(b)和表1所示。有效数据以0或者多个用以指示扩展码等级的扩展码(EXCODE)开始,扩展码等级则用以说明后续的代码所属的数据类型。紧接着是数据的代码和数据的长度信息,最后发送代码对应的数据值。

  对心电信号的解释流程伪代码如下:

  (1)读取等待同步帧字节(0xAA);

  (2)读取下一个字节并判断是否为同步帧字节(0xAA),如果不是回到步骤(1);

  (3)读取数据长度字节[PLENGTH];

  (4)读取有效数据并进行校验和运算;

  (5)将校验和累加器低位字节取反;

  (6)对比数据的校验和[CRC],判定是否一致,不一致则返回步骤(1);

  (7)进入数据解释循环,直至解释完成:

  ①解释并统计扩展代码[EXCODE](0x55)的个数;

  ②解释当前数据流代码[CODE];

  ③如果可能,解释当前数据的长度;

  ④基于前面的扩展码及长度等信息,解释和处理数据流的数据信息;

  ⑤如果数据流没有解释完毕,回到步骤①继续。

  简言之,BMD101的核心是一个功能强大的系统管理单元。它负责整个系统的配置、运行管理、内外通信、专有算法计算和电源管理,为可穿戴设备的应用提供了保障。

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