基于无线传感网络技术在人体健康监测中的应用

李根

摘 要：多样奢华的生活方式和特色的饮食结构，使人们的健康状况不容乐观，高血压、冠心病等疾病演变成为当今常见病与多发病。而脉搏信息一直都是反映人们日常活动中最灵敏和最可靠的重要信息来源，是作为健康监测的重要窗口，通过脉搏信号快速发现病因也是一个有效的方法。该课题提出了以无线传感网络为基础，结合智能终端设备，对人体脉搏信号进行实时监测的方式，使人们进一步了解自身健康状况。

关键词：健康监测 无线传感网络 实时监测

中图分类号：TP29；TN87 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（b）-0012-02

在现代医学领域中，生物医学健康评估成为了医学界和信息工程技术界重点关注的新兴学科。随着近现代传感网络技术的突飞猛进，利用传感器对脉搏信息进行定量分析，逐渐成为了解决临床医学和实验研究的重要手段和重要依据，更是在人类健康领域中普遍关注的课题之一。

脉搏作为心血管健康系统的重要组成部分，是人体健康状态的重要体现，作为人体日常生活中输送营养成分和表达各种生理病理特征的重要传播途径[1]。现代智能计算机技术的高速发展为医学研究领域打下了良好基础，也成为脉搏信息研究和发展的必然。而单片微型计算机集灵敏的反映、快速的计算和复杂的数据处理能力于一体等优势，使其对脉搏的处理更加准确和有效。

该文采用单片嵌入式系统和现代无线通讯技术，并结合PC及移动智能终端设备，提出了处理脉搏信号的新方案。监测方案主要由嵌入式传感系统与无线通讯模块组成，具有传递速度快、系统结构简单等优点。传感器对有效数据实时采集，并通过无线技术及时地将数据传送给上位机和智能手持设备，实时动态地反映被监测点的情况。

1 系统方案及技术论证

1.1 硬件系统结构

硬件系统的设计方案如图1所示，其主控制器采用TI公司生产的MSP430F149单片机，它是一款采用16位精简指令系统，是一款真正具有16位总线带Flash的单片机，外设和内存进行统一编址，寻址范围多达64 k，片上外围模块及其丰富，片内还集成有精密的硬件乘法器，可以直接在结果寄存器中读取计算数据，大大节省了CPU的软件资源；有一个14路的12位模数转换器，满足系统中脉搏心率传感器信号采集的需要；集成两路UART通信端口，可以同时和上位机模块与无线通讯模块之间进行通信。内部有硬件SPI同步串行总线接口，使得和语音模块之间的通信可以大大降低MCU功耗，可以在14 mA左右电流下正常工作，因此它是一款具有超低功耗的单片机，作为可穿戴设备的首选，更适合用电池长时间供电的工作场所。

因脉搏信号具有信号强度弱、易于受干扰、信号频率低、且具有一定的系统变异性。因此脉搏传感器的选择在整个系统中变得尤为重要，也成为系统稳定性能的重要指标。PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电模拟传感器。较之传统的脉搏心率测量传感器，有着体积小、便于随身携带和可靠性高等优点，可将其佩戴在耳垂或指尖等地方，这样既易于实时监测又不影响日常生活，其原理是根据血管搏动时所反映出的不同透光率来达到脉搏测量。传感器的敏感元件主要由光电变换器组成，光电变换器可透过人体周围毛细血管，当毛细血管相对充血容积随着心脏的搏动而周期性变化时，传感器的透光率也随之发生变化，再将微弱的光信号转化为电信号进行放大和输出，将最终的模拟电压信号传输给单片机进行后续分析及处理。

语音模块的选择上遵循简单易于控制的原则，SYN6658语音芯片同时支持UART和SPI两种通讯方式，可通过UART接口或SPI接口接收单片机发送的命令和数据，允许发送数据的最大长度为4 k字节。因系统所选用的单片机只有两个UART接口，分别作为上位机监测和无线通讯模块使用，因此最终选用SPI同步串行通讯方式，单片机作为通讯中的主机身份对SYN6658芯片进行访问，通讯中所需的同步时钟信号由单片机来提供。SYN6658同时支持多种内码格式的文本，有着自然、清晰、准确的中文语音合成效果和智能的文本分析处理算法，还具备很强的多音字识别处理能力，支持多种文本控制标记，芯片还具有休眠功能，支持三种通讯波特率、16级音量调整、还有多种方式可以查询芯片的工作状态，可通过发送控制标记调节词语语速，占用体积小，可满足室外不同环境下使用[2]。

为了便于信号的实时传输和即时通讯，无线模块选择基于UART的蓝牙串口通讯模块，该模块可以与各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、平板等智能终端配对，支持从4 800 bps～1 382 400 bps间的标准波特率，通讯接口兼容5 V或3.3 V单片机系统，在空旷地有效距离可达10 m，具有命令实时响应，可与设备实现自动连接，模块进行自动连接时，可根据事先设定的方式具备主机、从机和回环三种工作角色。握手成功后可当全双工的异步串口使用，通信格式支持数据位8位、停止位1位、还可根据用户需要设置奇偶校验位。用户还可以将模块设置为响应工作模式，并对模块进行各种AT指令的设置，通过设定相关控制参数和控制命令进行具体设定。通过有效控制模块外部引脚的输入电平，完成模块工作状态的动态转换。

系统中上位机的监测通过VB界面来得以实现，并作为后台管理及显示部分，它也是整个系统在调试过程中不可缺少的一部分。在VB界面中添加了一些必要的通讯控件，可以方便的对串行通讯中事件及状态参数进行设置。

如图2所示的监测界面中主要增加了电话模样的MSComm通讯控件和钟表摸样的定时设置控件，MSComm通讯控件可以方便的对串行通讯必要的参数进行设置，包括其当前通信状态，通信格式和具体的通信协议等。当遇到数据有效通信时就会触发OnComm事件，通过程序设置CommEvent的具体属性，可有效地了解通信事件的类型，从而及时做出处理。定时设置控件则可实现对监测状态进行准确时间量的分析[3]。

1.2 软件系统结构

软件系统结构如图3所示，系统开机时自检，预先完成单片机内部定时器、ADC、串口通信的初始化工作，当单片机检测到脉搏心率传感器的模拟电压信号后，经由内部进行多次AD抽样校准计算，再将计算的结果与当前脉搏值进行比较，通过UART与上位机通信，在上位机上对脉搏信号进行实时监测，若发现异常，及时进行在线调试，修正单片机代码，减少不必要的误差，为了降低整个系统的功耗，系统的语音模块及蓝牙模块默认保持休眠状态，人们可以自主的选择是否进行语音播报和进行蓝牙通讯服务，当语音播报功能打开时，可将当前脉搏参数通过语音播报的形式及时告知使用者，也可以按照需要设置蓝牙握手通讯习惯，将使用者的脉搏情况传送给智能终端或具有蓝牙功能的其他设备，使被监护人能够及时准确的了解自身的健康状态，达到及时预防的目的。

2 系统抗干扰措施及分析

在整个无线传感网络通信中，外界对系统的干扰具有很大的随机性和不可预见性，给系统调试方面带来很多困扰，因此，必要的抗干扰措施直接反应系统的实用性能。为了使得系统的干扰降到最低，在设计中分别从硬件和软件两方面展开研究。

来自硬件方面的干扰主要由空间电磁干扰、过程通道干扰和供电系统干扰3部分组成，空间电磁干扰可以通过PCB正确接地并进行良好地屏蔽以及合理布局布线进行有效解决；过程通道干扰则采用光电耦合隔离技术将模拟地和数字地分开，减少了公共信号对系统产生的耦合作用，有效解决了系统主要存在的阻抗匹配问题；供电系统干扰主要通过稳压、隔离、滤波等措施加以解决，通过比较论证，最终使得硬件电路的稳定性得到大大提高。

随着科技的不断进步及软件算法的不断完善，来自软件的抗干扰措施已愈来愈引起社会的重视，该系统中主要通过数字滤波、设置自检程序、设置软件陷阱、利用复位指令等方法减少外界环境对系统的干扰，它与传统抗干扰措施相比可以在不增加任何硬件设备的基础上，有效降低系统运行成本和提高系统的稳定性。同时，由于软件抗干扰措施可以随时改变系统算法或改变参数，使系统的维护变得更加灵活方便。但是软件抗干扰措施不能使所有干扰得以控制，不可能完全取代硬件抗干扰措施，因此在设计方面根据实际情况权衡利弊，选择使用最恰当的软、硬件抗干扰措施。

3 结语

随着我国社会实体经济的高速发展和人们生活质量的不断提高，健康问题已经成为当今社会倍受关注的热点话题之一。该设计通过前期大量的市场调查和理论分析，最终完成了基于TI公司的MSP430F149为核心的脉搏检测系统的研究及设计。结合相关的传感器，利用智能终端进行实时监测，使系统的操作更人性化，加上便于随身携带的优点，满足了人们对日常生活的需要，在人与疾病斗争的战场上备受关注。

参考文献

[1] 郭垚垚，陈兆学.一种脉搏波和心电信号时域基线漂移消除方法[J].中国医学物理学杂志，2016，33（2）：167-172.

[2] 张红英.SYN6658中文语音合成芯片在充电桩的应用[J].家电科技，2016（1）：22.

[3] 蒋萍花，张楠.数据采集系统串口通信的设计与实现[J].电子测量技术，2015（6）：139-142.