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1.引言 隨著(zhù)當前信息技術(shù)和醫療水平的不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，越來(lái)越多的人們對個(gè)人及家庭的健康護理提出了更高的要求，希望能夠隨時(shí)了解自己的身體健康狀況，并盡早發(fā)現病癥、解決問(wèn)題。目前傳統的Holter系統體積大，使用不便的缺點(diǎn)也給人們的日常使用帶來(lái)了很大不便。因此，利用最新的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與微處理器技術(shù)，設計實(shí)現一個(gè)可長(cháng)期在線(xiàn)且具有無(wú)線(xiàn)移動(dòng)監控能力的移動(dòng)心電信息采集監控系統具有很高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。 本文通過(guò)研究人體心電信號的各項主要特征和實(shí)際監測應用需求，設計開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線(xiàn)傳感心電信息監測系統，該系統通過(guò)嵌入內衣穿戴的智能電極對心電信號進(jìn)行采集處理，并通過(guò)目前已成為移動(dòng)設備標配的藍牙無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )將心電數據發(fā)送至Android智能監控終端進(jìn)行接收數據的存儲、管理和分析。 2.系統設計的總體結構 系統總體結構框圖如圖1所示，包括嵌入內衣的心電圖導聯(lián)、智能電極信號處理電路模塊、以及配置有藍牙的智能Android終端應用，其中智能電極信號處理模塊包括模擬信號調理電路、微處理器電路和無(wú)線(xiàn)藍牙網(wǎng)絡(luò )模塊以及可在模塊上擴展體溫傳感器和血氧探頭等，進(jìn)而擴展生命健康監測參數。 圖1 系統總體結構 本系統首先將嵌入內衣的導聯(lián)電極采集的心電信號送往智能電極中信號處理電路模塊中，由模擬信號調理電路進(jìn)行濾波放大。 信號經(jīng)調理之后經(jīng)A/D轉換送給主控微處理器分析預處理。之后經(jīng)無(wú)線(xiàn)藍牙網(wǎng)絡(luò )通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道送給配置有藍牙的智能Android終端應用進(jìn)行診斷分析以及監控顯示。當發(fā)現異常時(shí)，終端應用發(fā)出警報并可將結果通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠程醫療中心。 由于智能電極中模擬信號調理電路不是本文對系統設計所要重點(diǎn)闡述的部分，所以本文主要對數據分析預處理、無(wú)線(xiàn)藍牙通信和Android終端應用程序設計做介紹。 3.智能電極控制軟件設計 本系統采用TI公司MSP430G2553超低功耗微處理器構建中心處理單元。MSP430單片機在低功耗方面表現出色，支持快速休眠，大量節省系統能耗，并且在惡劣條件下工作性能穩定。所采用的G2553型號單片機加載有自主設計的危急特征提取算法，能夠滿(mǎn)足設計的需求。 如圖2所示為智能電極控制軟件流程圖。 圖2 智能控制軟件流程圖 主要過(guò)程為在信號調理電路預處理心電模擬信號之后，超低功耗微處理器通過(guò)內置的10位AD轉換模塊(采樣精度為3mV)對模擬數據進(jìn)行采集和轉換，采樣周期為5ms，并將轉換后的數據取高8位后通過(guò)與異步串口(UART)交由藍牙模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍牙網(wǎng)絡(luò )發(fā)出。 4.Android終端應用程序設計 4.1藍牙數據接收模塊設計 現代社會(huì )智能移動(dòng)終端已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，而目前大部分以手機為代表智能移動(dòng)終端都是以Android系統為操作平臺并配置有藍牙裝置，因此為了滿(mǎn)足人們日常生活使用的需求以配置有藍牙的智能Android移動(dòng)終端為數據處理和診斷平臺來(lái)開(kāi)發(fā)應用程。該應用程序以Java語(yǔ)言為主來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如圖3所示為Android設備藍牙數據接收模塊設計。 圖3 Android設備藍牙數據接收模塊框圖 4.2 Android設備藍牙傳輸的實(shí)現方案 藍牙通信采用C / S通信模式。在設計時(shí)將接收端(Android設備)的藍牙作為客戶(hù)端，發(fā)送端(智能電極)藍牙作為服務(wù)器端。 在藍牙進(jìn)行相互連接時(shí)，利用了數據通信中常用的Socket(套接字)機制。當兩端的套接字相互連接好以后，收發(fā)雙方的應用就可以將數據發(fā)送給自己的套接字，并從套接字處獲取數據，雙方的套接字則作為連接中轉站一樣，相互收發(fā)數據。下面對Android設備上藍牙接收軟件實(shí)現過(guò)程詳細闡述。 首先開(kāi)啟A n d r o i d終端的藍牙功能，Android終端藍牙設備作為客戶(hù)端需要主動(dòng)搜索周?chē)乃{牙設備。這個(gè)搜索過(guò)程需要用到廣播機制，即搜索發(fā)起端需要一個(gè)廣播接收器，用于接收搜索信息。其建立的具體步驟為，首先定義一個(gè)繼承BroadcastReceicer的類(lèi)，用這個(gè)類(lèi)生成的實(shí)例就具備了對接收信息的操作能力，可以獲取需要的信息，比如藍牙設備名稱(chēng)和MAC地址。經(jīng)過(guò)設置，該廣播接收器只對發(fā)現了藍牙設備這一消息和藍牙搜索結束這兩條消息響應，并且完成了廣播接收器在本應用中的注冊。用戶(hù)在使用時(shí)，只需要點(diǎn)擊“搜索”按鈕，終端設備開(kāi)始搜索周?chē){牙設備，整個(gè)搜索過(guò)程將耗時(shí)12秒。這個(gè)過(guò)程中，本地藍牙適配器會(huì )搜索到周?chē)锌梢赃B接的藍牙設備，將這些搜索結果以列表的形式呈現在屏幕上，供選擇。連接開(kāi)始前，首先關(guān)閉藍牙搜索功能。 在系統庫中有BluetoothSocket類(lèi)，利用這個(gè)類(lèi)生成相應的實(shí)例便是接收端藍牙的套接字，如果該藍牙是作為服務(wù)器來(lái)連接的，則利用系統類(lèi)BluetoothServerSocket來(lái)生成套接字對象。在連接之前需要預先設置好UUID，然后由Android智能終端發(fā)起連接請求，這里需要調用BluetoothSocket類(lèi)中的connect()方法，作為服務(wù)器端的藍牙設備監聽(tīng)到連接請求后會(huì )驗證其UUID是否與自己的一致，驗證通過(guò)后便可以完成連接了。需要特別注意的是，在這個(gè)過(guò)程中，連接過(guò)程是一個(gè)阻塞調用過(guò)程，為不影響主線(xiàn)程的工作，需要一個(gè)單獨的線(xiàn)程來(lái)進(jìn)行連接工作。 等待藍牙連接完成后，便可以進(jìn)行數據傳輸。在藍牙間的數據傳輸是由藍牙模塊自動(dòng)按照藍牙協(xié)議棧的要求進(jìn)行的，而在智能電極端從微控制器到藍牙模塊以及在A(yíng)ndroid終端從藍牙設備到應用程序的數據傳輸都是按照URAT異步串口通信方式進(jìn)行的數據傳輸。在設計中所設置的數據傳輸格式是以一個(gè)字節長(cháng)度為一幀來(lái)傳輸的，其中有7位數據位和1位奇偶校驗位共同組成。所以接收端所接收的數據都是以字節為單位來(lái)存儲的。在這個(gè)通信系統中，還加入了對接收數據的另一數據檢錯方案。數據的收發(fā)并不是將采集數據直接轉換成二進(jìn)制的串行數據進(jìn)行傳輸的，而是將這些數據轉換成所對應的ASCII碼再轉成串行數據再進(jìn)行數據的發(fā)送，這樣在接收端接收到數據后，會(huì )將這些數據轉為ASCII碼，如果這些ASCII對應的不是數字或是已超出ASCII碼范圍，則認為是錯誤的數據，將其丟棄。這樣做了之后，結合奇偶校驗，只有低三位同時(shí)有兩位都傳輸錯誤的數據不能被監測出來(lái)，出現這種情況的概率比較小，并且藍牙傳輸距離短，傳輸環(huán)境并不算惡劣，這樣的檢錯能力已經(jīng)足夠了。數據接收過(guò)程也是一個(gè)阻塞調用的過(guò)程，所以同樣需要一個(gè)單獨的線(xiàn)程來(lái)完成。 接收到的數據，全部轉換為數字的形式(振幅信息)存儲起來(lái)，供心電圖的顯示提供數據支持。Android藍牙傳輸軟件流程如圖4所示。 圖4 Android藍牙傳輸軟件流程圖 4.3終端心電圖顯示 接收數據之后還有要在A(yíng)ndroid終端上描繪出心電圖，供使用者查看。在A(yíng)ndroid應用開(kāi)發(fā)中，通常會(huì )使用View這樣的控件來(lái)描繪圖案。本系統圖形是一個(gè)心跳幅度關(guān)于時(shí)間的二維坐標圖，縱坐標以毫伏為單位，橫坐標以秒為單位。需要注意的是橫坐標的標識間隔，藍牙通信速率設置為9600位每秒，即1200字節每秒，所以每秒會(huì )收發(fā)1200個(gè)數據點(diǎn)的信息，橫坐標的設置應該以1200個(gè)點(diǎn)為1秒進(jìn)行設置。 波形的描繪是一個(gè)坐標描點(diǎn)的過(guò)程。 將接收到的心電信號數據轉換成坐標點(diǎn)的表示形式，存入到緩存區當中。應用程序在進(jìn)行波形描繪時(shí)會(huì )從該緩存區中依次提取數據點(diǎn)，在坐標圖上描繪出一個(gè)連續的波形圖。 5.系統功能鏈路實(shí)現 按照如圖5所示鏈路對移動(dòng)心電監控系統進(jìn)行搭建，并以一正常無(wú)心電類(lèi)疾病史人員為測試對象對整個(gè)系統鏈路功能進(jìn)行實(shí)現。 圖5 系統鏈路圖 啟動(dòng)系統的智能電極和Android終端應用程序之后，首先進(jìn)行數據配對進(jìn)入界面選擇配對設備，并點(diǎn)擊“connect”按鈕，連接開(kāi)始，由Android終端主動(dòng)發(fā)起連接請求，發(fā)送端監聽(tīng)到請求信息后即可回應并建立連接。 為了方便使用和控制，數據傳輸是由接收端發(fā)起的。點(diǎn)擊屏幕中的“receive”按鈕，接收端通過(guò)藍牙向發(fā)送端發(fā)送數據傳輸的“開(kāi)始”信號作為數據發(fā)送的起始信號。發(fā)送端在接到發(fā)送的“開(kāi)始”信號后，便會(huì )開(kāi)始發(fā)送數據，直到將緩沖區內的數據發(fā)送完畢為止，在接收端擁有與發(fā)送端相同大小的緩沖區接收數據，當接收緩沖區裝滿(mǎn)后，接收停止。以此來(lái)進(jìn)行數據的收發(fā)同步。接收端需要對接收到的數據進(jìn)行檢錯，丟棄錯誤數據，然后將有效數據存入波形顯示緩沖區中。在屏幕中部可以看到清晰的心電波形圖，如圖6所示。 圖6 Android移動(dòng)終端軟件主界面 當用戶(hù)點(diǎn)擊“realTime”按鈕時(shí)，就可以在在屏幕上觀(guān)測到實(shí)時(shí)更新的心電圖。 6.結束語(yǔ) 本文介紹了移動(dòng)心電信息監控系統方案的設計與實(shí)現過(guò)程，包括系統的總體設計以及智能電極和Android移動(dòng)終端的設計過(guò)程和主要實(shí)現方法。 本方案中的系統設計將傳統Holter系統中數據采集、處理和傳輸、診斷進(jìn)行分離，僅利用內衣穿戴形式的智能電極對信息參數進(jìn)行采集并采用微控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單預處理，之后將數據通過(guò)藍牙無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)出，交由配置有藍牙Android智能接收終端進(jìn)行進(jìn)一步的處理和診斷�？朔藗鹘yHolter系統體積大，使用不便，功耗大的缺點(diǎn)，可在日常生活中多日長(cháng)期在線(xiàn)工作，對使用者的健康隱患進(jìn)行監測;并且終端數據管理與診斷分析程序能夠準確記錄用戶(hù)的測試信息并且隨時(shí)查詢(xún)，而且在發(fā)生危急狀況時(shí)發(fā)出報警挽救生命。 |
