摘  要： 設計了一種以MSP430F149為核心處理器,，SD卡為數(shù)據(jù)存儲設備，ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組建的網(wǎng)絡為通信網(wǎng)絡的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng),。闡述了該系統(tǒng)各個模塊的設計要點,、關鍵模塊的設計思想與設計方法。
關鍵詞： 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

    目前的家庭監(jiān)護儀主要基于紅外,、藍牙等無線傳輸模式，但基于這些技術的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)存在著無線輻射的安全性,、無縫漫游和無線網(wǎng)絡成本等不足之處[1],。ZigBee技術是一種新興的低功耗、低復雜度,、通信可靠,、低成本的無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術，廣泛應用于數(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,。本文設計的正是一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡的社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)，心電監(jiān)護儀通過ZigBee技術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)療服務中心,，達到對患者進行實時監(jiān)護,、實時醫(yī)療指導的目的。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定,、可靠,、組網(wǎng)靈活的特點。
1 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的設計方案
    社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)主要包括心電監(jiān)護儀和社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道,。其中心電監(jiān)護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)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸信道主要完成心電監(jiān)護儀與醫(yī)療服務機構之間的無線通信，即患者和醫(yī)護人員之間的信息交互[2],。本系統(tǒng)主要分為三部分,。
    第一部分由若干個基于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊的心電監(jiān)護儀組成，主要是對患者進行實時監(jiān)護,，負責采集,、一次存儲患者的心電數(shù)據(jù)以及出現(xiàn)突發(fā)情況時的警報;而ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負責數(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)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務機構（即第三部分）,，由專業(yè)的醫(yī)護人員對采集到的心電數(shù)據(jù)進行二次存儲,，并對患者提供相關的醫(yī)療服務，達到遠程監(jiān)護的目的,。
2 心電監(jiān)護儀的硬件設計
    本系統(tǒng)中對心電監(jiān)護儀進行模塊化的設計方式,，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,，結構框圖如圖1所示,。

2.1 采集電路的設計
    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陷波器進行處理,，消除50 Hz工頻信號[4]，實現(xiàn)消除噪音的目的,，得到較為理想的波形。
    其中50 Hz陷波是設計的重點,采用TI公司的OPA2137運算放大器進行雙T陷波電路的設計,，圖2是50 Hz陷波的設計電路,。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）是一種基于半導體快閃記憶器的新一代外接存儲設備,，擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率,、極大的移動靈活性以及很好的安全性等優(yōu)點,，支持SPI傳輸模式。本設計采用SPI模式,，在完成對其讀寫的基礎上植入文件系統(tǒng)FAT32對采集到的心電數(shù)據(jù)進行存儲,。
2.3 心電波形的顯示
    本設計采用TFT320×240液晶顯示屏設計簡單的人機交互界面，幫助患者操作心電監(jiān)護儀,。顯示界面主要包括心電波形圖,、心電監(jiān)護儀的工作狀態(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)不同情景設置了不同的顯示方式，如實時顯示,、從過去某一時刻開始顯示以及顯示周期可調(diào)等,。
3 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)通信信道的設計
    社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的關鍵是信息的遠程交換，即患者在家中與醫(yī)療服務機構之間的信息交換,。
    本系統(tǒng)采用ZigBee技術組建無線網(wǎng)絡,，并將其作為信息遠程交換的通信網(wǎng)絡平臺。包括心電監(jiān)護儀與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)療服務機構之間的通信兩大部分,。
3.1 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療中心機構的通信
    ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊與醫(yī)療服務機構之間的通信就是ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)交換,。每個傳輸模塊之間的傳輸距離可達2 000 m，傳輸速度可達115 200 b/s,，發(fā)送模式靈活,，節(jié)點類型（中心節(jié)點、路由節(jié)點,、終端節(jié)點）可任意設置,。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,，進而保證整個網(wǎng)絡通信的穩(wěn)定，減小建筑物對網(wǎng)絡信號的干擾,，增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍,本設計將放置在單元樓頂層空曠處的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為中繼或者終端節(jié)點,。醫(yī)療服務機構的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為中心節(jié)點，通過RS232與醫(yī)療服務機構的數(shù)據(jù)庫連接起來進行交互[5],。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的MESH網(wǎng)狀網(wǎng)作為整個社區(qū)的無線通信信道,。

3.2 心電監(jiān)護儀與ZigBee無線網(wǎng)絡的通信
     心電監(jiān)護儀通過ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的社區(qū)無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)與醫(yī)療服務機構的遠程通信，組成了社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng),。心電監(jiān)護儀與ZigBee無線網(wǎng)絡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,；方式二：每棟單元樓每個用戶的心電監(jiān)護儀通過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),，進而接入社區(qū)無線通信網(wǎng)絡。本系統(tǒng)采用方式二建立社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng),。
    在整個系統(tǒng)中,，用戶端的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為終端節(jié)點，單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為中心節(jié)點,，它們之間組成星型網(wǎng)絡,；而整個系統(tǒng)中單元樓頂層的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為中繼節(jié)點,，醫(yī)療服務機構的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊設置為中心節(jié)點組成網(wǎng)狀網(wǎng)；醫(yī)療服務機構的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊通過RS232與醫(yī)療服務機構的數(shù)據(jù)庫連接,，這樣心電監(jiān)護儀接入ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無線通信網(wǎng)絡,，完成患者與醫(yī)療服務機構之間的無線通信。
4 社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設計
     社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的軟件設計主要包括心電監(jiān)護儀(從機)的設計和醫(yī)療服務機構上位機(主機)的設計,。
4.1 心電監(jiān)護儀的軟件設計
    心電監(jiān)護儀的軟件設計主要包括心電數(shù)據(jù)的采集,、存儲以及心電波形圖的顯示等。設計流程圖如圖3所示,。該設計使用MSP430F149單片機片內(nèi)集成的ADC模塊進行A/D轉(zhuǎn)換采集,，然后將采集到的心電數(shù)據(jù)存儲在SD卡中并通過液晶實時顯示出心電波形圖。本設計采用單通道多次采樣方式,，采集工作于中斷方式,，由片內(nèi)定時器觸發(fā)，通過定時器控制采樣頻率[7],。在患者出現(xiàn)突發(fā)情況或者心電監(jiān)護儀（從機）需要將存儲的心電數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療服務機構（主機）時,，采用串行中斷，使心電監(jiān)護儀與醫(yī)療服務機構進行信息的無線傳輸[8],。

4.2 醫(yī)療服務機構上位機的軟件設計
    醫(yī)療服務機構上位機是社區(qū)心電監(jiān)護系統(tǒng)的核心,，它對患者的心電數(shù)據(jù)進行二次存儲，方便醫(yī)護人員分析患者的病情給出康復指導,，接收心電監(jiān)護儀的報警并且及時提示給醫(yī)護人員使得患者得到及時的治療指導,。使用圖形化的編輯語言LabVIEW編寫程序，實現(xiàn)醫(yī)療服務機構對患者的監(jiān)護,。圖4是本上位機的程序流程圖,。

5 系統(tǒng)測試
    為了對系統(tǒng)的性能進行測試，在實驗室通過心電監(jiān)護儀采集人體的心電信號并同時把采集到的數(shù)據(jù)保存在SD卡中,，加入手機的通信干擾,，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，并且在上位機顯示出心電波形圖,。
    通過現(xiàn)場的測試結果表明：上位機和心電監(jiān)護儀之間的數(shù)據(jù)通信可靠、安全,、抗干擾能力強,；并且滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、高效性的要求,。
參考文獻
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