基于蓝牙4.0心电监护系统的研究

黄敏+张珣

摘 要：为了满足人们对实时健康监护的需求，设计一种基于蓝牙4.0的心电监护系统。该系统主要由心电信号采集模块、蓝牙无线传输模块和用于心电显示与处理的手机模块组成，给出了硬件电路的设计方案及软件程序流程图。经测试，整个系统功耗低、携带方便、有较好的稳定性和实时性，可以实现对心电信号实时的显示和存储，非常适合在普通家庭中使用。

关键词：蓝牙4.0;CC2540;心电图;医疗监护

中图分类号：TP316                  文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-02

0  引  言

随着人们生活水平的不断提高和社会压力的不断增大，人们的生活节奏不断加快，生活方式越加不规律，心脏病、高血压等慢性疾病正日益严重威胁着人们的健康[1]。由于医院传统的监护仪体积庞大，价格昂贵，不适合普通家庭在日常监护中使用，因此设计一款体积小、价格低、便携式的心电监护系统十分重要。

蓝牙4.0技术是2010年推出的一种短距离无线电通信技术，与其他短距离无线通信技术相比具有功耗低、体积小、速度快、抗干扰能力强以及辐射范围更广等优点[2]。另外，利用蓝牙4.0技术还能够快速有效地与Android智能手机终端设备进行通信。因此，本文给出了一个由便携式医疗电子设备、移动通信设备构成并通过蓝牙4.0进行传输的家庭监护系统。以心电信号为例，设计一个以CC2540为核心的人体心电检测模块，利用蓝牙4.0技术进行数据传输并在Android智能手机上完成自动显示分析与报警等功能。

1  系统整体结构设计

如图1所示，整个系统分为心电信号采集模块、蓝牙4.0无线发送模块和用于心电显示与处理的手机模块组成。心电信号采集模块由信号采集、滤波放大电路和A/D转换几个部分组成。传感器检测到生理信号并把生理信号转换为微弱的电信号，通过对电信号进行放大、滤波、隔离等预处理得到完整的心电信号后，然后再将模拟的心电信号通过A/D转换传送到CC2540微控制器。CC2540微控制器的功能是将模拟信号转换为数字信号，对心电信号进行处理、特征提取等功能，同时将数字信号送入基于蓝牙4.0技术的RF发射器，利用蓝牙无线通信技术发送到Android手机端显示。

图1  心电监护系统框图

2  系统硬件设计

2.1  心电采集模块设计

心电信号是一种很微弱的电信号，通常为毫伏级信号，很容易受到外界的干扰，这些干扰包括机电干扰、运动干扰、电极接触不良和外部电磁干扰等。为了滤除各种干扰需要利用信号调理电路，从干扰中提取出心电信号[3，4]。如图2所示，为心电信号采集模块电路的框图。

图2  心电信采集模块电路框图

由于有些干扰的频率具有不确定性，所以这部分干扰不能通过信号调理电路全部的滤除掉，可以在心电信号采集模块之后，使用上位机进行软件再次滤基本上消除干扰。

本设计中前置放大电路选用AD公司生产的仪表放大器AD62芯片。AD620是一个价格低、功耗低、精度高的仪表放大器，设置接入电阻Rg为6.8 kΩ，使前置放大电路的放大倍数约为8倍。右腿驱动电路选用OP07放大器，它的主要功能是抑制50 Hz工频干扰。高通滤波器电路和低通滤波器电路的功能是滤除基线漂移和高频噪声。50 Hz陷波电路进一步滤除50 Hz工频干扰，这样就基本上可以完全滤除工频干扰。经过滤波后的心电信号还需要进行后级放大才能发送到处理器中处理，采用OP07芯片对信号进行后级放大[5，6]。如图3所示为心电采集模块实物图。

图3  心电采集模块实物图

2.2  信号处理和传输模块

目前，主流的短距离无线通信包括蓝牙、WiFi、Wireless USB、ZigBee，不同的协议标准对应不同的应用领域。由于距离、功耗、数据传输速率、复杂度、成本等因素的限制，并不是所有的无线通信技术都适用于无线体域网。本文的研究采用蓝牙4.0技术作为数据传输系统的核心。

蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙技术联盟（SIG）于2010年7月发布了蓝牙4.0版本核心规范，以低功耗（BLE）作为新版本的主要技术特点，蓝牙迈入4.0时代。随后各大厂商纷纷推出支持蓝牙4.0的智能设备。TI公司推出了完全兼容蓝牙4.0BLE协议的SoC芯片CC2540，同时也开发出了相应的软件协议栈。

蓝牙4.0规范的核心是低功耗技术（Low Energy），即蓝牙4.0 BLE。该技术最大特点是拥有超低超低的运行功耗和待机功耗，蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池甚至可以连续工作数年之久。

信号处理模块采用TI公司生产的CC2540蓝牙芯片， CC2540集成了2.4 GHz射频收发器，该芯片包含一个工业标准的8051内核的无线射频单片机，它与蓝牙低功耗协议栈共同构成高性价比、低功耗的片上系统解决方案，能完成数据采集、处理、蓝牙通信的任务，非常适合蓝牙低功耗应用。系统编程闪存记忆，8 KB RAM 和其他功能强大的配套。CC2540适用于低功耗系统、超低的睡眠模式，以及运行模式的超低功耗的转换，进一步实现了超低功耗。

心电信号通过心电采集模块采集到以后，将心电信号连接到CC2540自带的A/D转换传到CC2540芯片处理。每个无线传感网终端的核心是CC2540片上系统， CC2540微控制器主要负责心电数据的转换、处理、存取、控制蓝牙模块数据的发送。

3  软件设计

3.1  BLE协议栈

本设计用到的CC2540芯片使用的是TI公司的蓝牙4.0 BLE协议栈。蓝牙4.0 BLE规范中定义了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）两个基本配置文件，协议栈中的GAP层负责设备访问模式和进程，包括设备发现、建立和终止连接、初始化安全特性和设备配置。GATT层用于已连接的蓝牙设备之间的数据通信。BLE协议栈的运行机理为：通过tasksEvents指针不断的访问事件表tasksEvents[tasksCnt]来判断是否有事件发生，如果有事件发生，则在函数表中找到对应的事件处理函数进行处理。处理完后，继续访问事件表tasksEvents[tasksCnt]，如此无限循环。

3.2  心电数据采集流程图

将心电采集模块作为节点设备，手机中的蓝牙作为集中器设备。集中器设备扫描发现节点设备并且建立连接的流程如图4所示。

图4  建立连接的流程

当集中器设备和节点设备建立连接后，集中器设备读取节点设备提供的应用数据，首先进行GATT数据服务发现。集中器进行GATT数据服务发现时，需要给出想要发现的主服务的UUID，只有主服务UUID匹配，才能获得GATT数据服务。设备之间的心电数据传输的流程如图5所示。

图5  系统流程图

4  系统测试

心电监护系统的显示是基于Android手机平台的，实现了和心电采集模块的配对、数据的接收、心电的显示和存储等功能[7，8]。当程序启动后监测周围的蓝牙设备，监测到心电采集模块以后就可以实现配对，然后按下开始按钮，就可以接受到蓝牙发送的心电数据，并实时的显示。如图6所示。

5  结  语

该设计仅仅是监测了心电一个生理参数，今后可以把体温、脉搏、心率等无创生理参数利用蓝牙4.0组成人体传感网，然后将数据传输到智能手机上实时显示，实现实时监测。另外，接下来还要将采集模块进一步的优化和集成，使其更加便于携带。该设计能广泛应用于运动健身、移动医疗等领域，具有重要的临床使用价值。

图6  手机心电监护界面

参考文献

[1]李肃义，杨美玲. 动态心电采集记录系统的发展与展望[J]. 生物医学工程学杂志，2012（1）：175-178.

[2]彭保基. 基于蓝牙及Android的便携式心电仪的设计与实现[D].长春：吉林大学，2014.

[3]罗治伟. 基于移动互联的远程医疗监护系统关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[4] Ko J G， Lu C， Srivastava M B， et al. Wireless sensor networks for healthcare[J]. Proceedings of the IEEE， 2010， 98（11）： 1947-1960.

[5]操端. 基于智能手机的远程心电显示系统的设计与研究[D].成都：西华大学，2010.

[6]邱明林. 基于人体传感网的穿戴式远程健康监护系统的设计与实现[D].杭州：浙江大学，2013.

[7]李高尚，沈巍. 一种应用于移动健康医疗的Android客户端的研究[J]. 电子测试，2012（2）：64-67.

[8] Bansal D， Khan M， Salhan A K. A computer based wireless system for online acquisition， monitoring and digital processing of ECG waveforms[J]. Computers in biology and medicine， 2009， 39（4）： 361-367.