基于物联网技术的心电监护系统的实现

【作者】陆靓亮，陈敏亚

南京医科大学附属无锡人民医院，无锡市，214023

基于物联网技术的心电监护系统的实现

【作者】陆靓亮，陈敏亚

南京医科大学附属无锡人民医院，无锡市，214023

为了对医院传统心电监护设备功能进行扩展，提高医护人员工作效率，该文介绍了一种基于物联网技术的心电监护系统。该系统通过心电传感器、PDA和网络服务器等设备，采用嵌入式C语言、Android系统、.NET和无线网络等技术，实现了心电监护系统的实时监测和数据分析功能。通过实验表明，该系统具有很高的可靠性和稳定性，为医护工作带来了便利。

物联网；PDA；心电监护；传感器

0　引言

随着物联网技术的发展，高集成度的无线监护设备被应用于医院系统中。它不仅具有传统的有线监护设备的功能，而且还能给医生和护士提供一些新的功能，同时还能够降低医院成本[1]。通过这种设备，生命体征信号能被发送到PDA、PC等监护终端，还能被发送到数据处理中心，并且传送过程中不限制患者的移动[2]。本文讨论了无线心电监护系统的架构和软硬件的实现，开发了一种基于物联网技术的高速和高精度的智能心电监护设备。该系统能无线监控患者心电信号，并且能够将信号传送至医院的Wi-Fi网络。

1　系统架构

图1显示了一个基于物联网技术的心电监护系统的架构。该架构可以分为三层：感知层、网络层和应用层[3]。

感知层主要由心电传感器组成。当心电传感器启动时，通信数据包中的更新器开始工作，将心电信号发送至网络层。

图1　无线心电系统架构Fig.1 Wireless ECG system architecture

网络层主要完成心电数据的传输、处理和保存。心电数据通过Wi-Fi无线网络传输至应用服务器。应用服务器通过通信数据包的下载器进行数据下载，经过冲突检测器后，筛选出有效数据。最后这些数据通过数据库连接组件保存到数据库服务器中。

应用层主要由PDA客户端组成。临床医生或护士一旦登录到PDA客户端，客户端与服务器的会话就会启动。应用服务器更新器通过数据库连接组件来联系数据库服务器并获取心电数据。PDA客户端下载器通过Wi-Fi无线网络从应用服务器载入数据。临床医生或护士通过PDA上的应用程序来浏览心电数据。当临床医生或护士修改心电测量参数时，PDA更新器可以确保更新的内容被传送至应用服务器，并且数据库存储也相应的更新。这样可以确保更新的内容传输到登录系统的其它客户端。

如果传感器和PDA无法联网，那么心电数据和由临床医生或护士所做的任何更改都缓存在本地，直到网络再次可用。要实现这个功能，该传感器和PDA客户端需要被网络感知。这是由应用服务器的发送器实现的，它定时向网络发送单向消息，这些消息在传感器和PDA的接收器上被接收。只要传感器和PDA接收到这些消息，就认为它仍然连接到网络。这个信息被送入更新器，这使它判断是否缓存数据或将其发送到服务器。

设计该系统需要考虑的一个重要因素是保证数据的准确性。每个传感器都有一个唯一的地址，服务器根据这个唯一的地址筛选出有效的用户来更新其内容。这种方法可以阻止传感器和服务器传输数据时被干扰，有效提高数据的准确性。当传感器处于待机状态时，网络层将停止数据传输，直到有新的传感器连接到网络中。

2　硬件电路设计

心电传感电路是心电监护系统的硬件电路中最主要的模块之一。它主要由心电采集电路、MCU处理电路、Flash存储模块和无线通信模块组成，如图2所示。

图2　心电传感电路结构图Fig.2 ECG sensing circuit diagram

心电采集电路主要完成信号放大、滤波的功能。选用具有高输入阻抗、低噪声、低漂移精密运算放大器AD620对模拟心电信号进行一级缓冲放大。然后进行滤波和二级放大。滤波采用100 Hz低通滤波器，处理后的信号通过运放LMV324实现二级差模放大，使模拟心电信号的幅度范围与MCU的A/D的采集范围匹配。

MCU处理电路选择Micr°chip公司的16 bit低功耗的改进型哈佛架构单片机PIC24FJ256GA110作为系统控制与计算单元。采用单片机内部集成的10 bit高速A/D转换器完成心电信号的采样，采样频率设置为128 Hz。PIC24FJ256GA110作为无线心电监护电路的控制核心，负责整个电路的运行、各功能模块的控制以及与无线模块的通信解析，同时完成数字心电信号的预处理功能。

心电传感电路的心电存储采用ST公司生产的M25P32的Flash存储芯片。MCU通过内部集成的SPI接口与Flash芯片连接。M25P32是一款32 MB存储空间的串行存储芯片，地址范围在000000h～3FFFFFh间，用于存储连续心电数据，并采用循环地址的方式覆盖超过2 h的历史心电数据。为了快速检索心电数据，将MCU的闪存存储空间地址为000200h～007FFFh的区域用于保存时间同步数据。通过历史心电数据和时间同步数据，用户可轻易检索到某个时间段内的心电数据。

无线通信模块采用Micr°chip公司的Wi-Fi模块MRF24WB0MB来实现。MCU通过另一个内部集成的SPI接口与Wi-Fi芯片连接[4]。无线通信模块的工作方式由MCU来控制。该模块上电后由MCU完成初始化配置，随后与MCU处理电路进行通信。MCU间隔一定的时间发起传输事务，查询是否有数据到达无线通信模块，并对收发的数据帧进行处理。

3　软件系统设计

心电监护系统应用软件包括传感器应用软件、PDA客户端软件和服务器软件三部分组成。

传感器应用软件是在Micr°chip公司提供的集成开发平台MPLAB IDE上用嵌入式C语言实现的，用于接收传感器采集数据，并进行数据处理，分配通信时间间隙，发送时间同步所需的消息，向无线通信模块发送心电数据。软件配置单片机A/D采样频率是128 Hz，以每8 ms间隔轮询请求MCU采集一次心电传感器数据。软件配置SPI发送频率是10 Hz，每100 ms间隔轮询请求MCU按规定格式向无线通信模块传输一次数据。传感器应用软件设计中，结合人体心电参数变化较快的特点，充分利用MCU内置定时器，通过定时中断进行心电传感器数据采集和传输流程设计，保证了高精度、实时性和高可靠性的数据采集与传输。

PDA客户端程序是基于Andr°id系统开发的[5]。Andr°id应用程序采用Java语言开发，搭建开发环境主要包括基于Java语言的软件开发工具包JDK、基于Java语言开放源代码可扩展开发平台Eclipse、Andr°id软件开发工具包Andr°id SDK和Andr°id开发工具插件ADT。Andr°id应用程序通过Wi-Fi从远程服务器取得心电数据，采用一阶滞后滤波法消除心电数据中的杂波，将处理后的心电数据绘制成心电波形曲线，实时动态显示在PDA屏幕上。用户信息和心电配置参数的更改可通过程序利用Wi-Fi更新到远程服务器，存储在数据库中。

服务器软件是基于.NET和SQL Server数据库开发的。该软件在Wind°ws Server 2003操作系统下，利用Visual Studi°.NET 2010开发工具，以C#为开发语言，采用ASP.NET技术编写心电数据分析程序和通信子程序，并利用web服务器IIS6.0的信息发布功能，通过网络向客户端提供心电数据监测服务。数据库是在SQL Server 2008环境下开发的，以ADO. NET技术对数据库进行增删改查操作，使客户端能够动态实时显示心电数据，并且还可显示历史数据供医生和护士查询和诊断。

4　实验结果

通过实验表明，基于物联网的心电监护系统远程服务器端接收到的数据完整正确，能够保证无线传输的可靠性和稳定性。该系统能够连续地进行心电监护，并将采集数据动态实时显示在PDA屏幕上，如图3所示。将PDA显示波形与传统心电监护仪波形进行对比，具有很高的符合度，完全可以用于患者病情的分析和诊断。

图3　PDA心电监护操作界面和心电图Fig.3 Cardiac m°nit°r °perati°n screen and ECG

5　结论

本文实现了基于物联网技术的心电监护系统，对系统的总体架构和软硬件设计进行了详细的介绍和讨论。通过实验测试表明，基于心电传感器，无线网络系统和掌上PDA的物联网技术能实现心电监护系统在医院中的应用，并且还能保证数据的准确性和稳定性。该系统安装方便，便于携带，容易操作，已在医院某病区试用，获得了患者和医护人员的一致好评。目前该系统还只是在试用阶段，有些问题还有待进一步完善，比如电池续航能力，无线抗干扰设计，与医院HIS系统衔接等，下一步工作将针对这些问题进行系统更新，使患者和医护人员能更加方便地使用该系统。

[1] 康季槐, 何史林, 陈广飞, 等. 基于物联网的病区智能监护系统研制[J]. 医疗卫生装备, 2013, 34(9): 9-12.

[2] 苌飞霸, 尹军, 张和华, 等. 一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计[J]. 传感技术学报, 2014, (3): 289-292.

[3] 鲍娟, 柯尊平, 魏刚, 等. 基于物联网的社区医疗健康管理模型研究[J]. 医学信息学杂志, 2014, 35(1): 7-11.

[4] 黄建凡, 朱为, 堵国樑, 等. 心电监护系统中WIFI传输的设计与实现[J]. 电子器件, 2013, 36(4): 514-518.

[5] 孙旭东, 张跃. 集成于智能手机的心电监护仪的设计与实现[J].计算机工程与设计, 2014, (7): 2344-2349.

Implementation of ECG Monitoring System Based on Internet of Things

【 Writers 】LU Liangliang, CHEN Minya Wuxi People's Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Wuxi, 214023

【 Abstract 】In order to expand the capabilities of hospital’s traditional ECG device and enhance medical staff’s work efficiency, an ECG monitoring system based on internet of things is introduced. The system can monitor ECG signals in real time and analyze data using ECG sensor, PDA, Web servers, which embeds C language, Android systems, .NET, wireless network and other technologies. After experiments, it can be showed that the system has high reliability and stability and can bring the convenience to medical staffs.

Internet of things, PDA, ECG monitoring, sensor

TH772.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.06.008

1671-7104(2015)06-0418-03

2015-08-18

无锡市医院管理中心医学科研面上项目（YGZXM1538）

陆靓亮，E-mail: le°nlu617@qq.c°m