基于ZigBee的心电监护系统设计

肖燕

（宝鸡文理学院 计算机学院，陕西 宝鸡 721016）

基于ZigBee的心电监护系统设计

肖燕

（宝鸡文理学院 计算机学院，陕西 宝鸡 721016）

为了满足医院、家庭和养老院实时监测心脏病患者心电图的需求，提出了利用ZigBee技术设计可以实时监控心电信号的系统方案。该系统采用电极片导联获取心电信号，通过ZigBee无线传感器网络传输信号数据，并由上位机绘制心电图。试验结果证明，系统实现了对病人心电信号的实时监护和及时诊断，具有临床应用价值。

ZigBee；心电监护系统；无线传感网；物联网技术

心脏病是一种危及生命的重大疾病，具有很强的突发性，并在发病后救治时间短、危险性高，其发病死亡率在美国、日本和欧洲等国家居第一位，在我国居第三位[1]。在医学上，主要依靠心电图来诊断和监控心脏病。实时的心电图监测可以有效的预防和发现这种疾病，为救治病人赢得时间。因此，对于心脏病患者来说，实时的心电监护系统更是非常必要的监测手段的和救治措施。文中根据心电图监测的需求，利用ZigBee无线传感器网络，建立一套适合于家庭、医院和养老院的实用型实时心电监护系统。

1 ZigBee无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在检测域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，是当前国内外备受关注的新兴技术[2]。ZigBee技术是WSN的主要标准之一，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速度，低成本的双向无线通信技术。在智慧医疗方面，通过让病人佩戴特殊功能的微型传感器，医护人员可以通过手持PAD等设备，随时查询病人健康状况或接收报警信息，以及后期跟踪治疗等[2]。因此，本文的设计适用ZigBee无线传感器网络，实现对区域范围内病患的心电信号的实时检测并绘制心电图，从而完成对病患的远程心电监护。

2 系统总体设计

本设计是以医院环境为例，通过布置ZigBee无线传感器网络，以及设计上位机软件来实现对患者的心电信号的实时监护。图1给出了本次设计的系统总体结构框架图。由病患自身携带的传感器终端节点采集到心电信号，通过ZigBee无线传感器网络的路由器节点转发该心电信号数据，最后由ZigBee协调器节点上传信号数据至上位机。上位机软件通过绘制心电图供医护人员判断患者的情况。

图1 系统总体结构框架图

3 系统硬件设计

本系统选择了体积小、内部集成了2.4 GHz的RF无线收发器和增强型8051MCU、真正符合ZigBee无线传感器网络应用要求的CC2530芯片来构建心电信号采集节点。图2给出了心电信号的处理流程图。由于人体的心电信号具有微弱性和强干扰性的特点，因此在心电信号采集和处理过程中，必须设计合理的放大电路和滤波电路，以便后续电路的处理。

图2 心电信号处理流程图

由于心电信号的频率范围为0.05～100 Hz，幅值为0.05～5 mV，在设计时需要考虑将信号放大适当的倍数来适应系统需求。本设计中使用了价格低廉且性能优良的常用仪表放大器AD620AN芯片来完成信号的前置放大处理，将信号放大至7～10倍。

根据心电信号的频率特征，为了采集有用的心电信号，避免检测信号受到人体其他部位的电位差影响，心电信号通过高通滤波和低通滤波阻断低于0.05 Hz和高于100 Hz的其他频率信号。高通滤波使用美国德州仪器公司先进的LinCMOStm工艺制造的四路运算放大器TLC2254来设计一个截止频率为0.05 Hz的二阶高通滤波电路。低通滤波同样使用TLC2254设计机制截止频率为100 Hz的滤波电路来阻断高频电磁场的干扰。

由于存在日常生活中存在50 Hz的供电网信号的工频干扰，在采集到信号后设计一个带双T网络的50 Hz的陷波电路来完成工频滤波。图3给出了陷波电路设计图。

图3 陷波电路设计图

为了达到A/D转换的电压要求，需要将过滤后的心电信号再次进行放大处理。由于CC2530的供电电压为2～3.6 V，因此需要将信号放大100倍左右，放大器仍然采用AD620AN，通过改变滑动变阻器的阻值来改变放大倍数，从而满足电路需求。

4 系统软件设计

本系统的软件设计包括两个方面:下层的无线传感器网络的节点软件设计和上层的上位机软件设计。节点软件设计是在IAR Embedded Workbench（EW8051）集成开发环境下进行的，同时利用TI公司提供的ZigBee协议栈软件Z-Stack组成强大的网络。上位机软件在VC++开发环境下编写，内含串口驱动程序。上位机通过串口和ZigBee协调器节点进行连接来接收并显示所采集的数据，通过对数据的处理达到实时监控患者的心电数据的目标。本系统软件流程图如图4所示。

图4 系统软件流程图

4.1 系统初始化

系统初始化包括对各部分硬件电路、DMA的初始化配置、ADC端口设置、中断使能设置、时钟频率设置、定时器的初始化、串口的初始化等任务。主要的设置函数有：

4.2 建立ZigBee网络

ZigBee网络主要完成数据的采集、数据的传输和网络的控制功能，涉及到ZigBee设备类型有终端节点、路由器节点和协调器节点。在ZigBee网络里至少有一个协调器，它是无线传感器网络的控制者，负责新网络的建立、网络数据的发送、管理网络中的节点以及存储网络信息等。路由器负责采集数据和转发数据。因此，路由器和终端设备都可以作为终端节点加入ZigBee网络。当系统上电后，首先对CC2530进行初始化，然后建立一个ZigBee无线传感器网络；终端节点搜索到ZigBee网络并加入这个网络；当有终端节点加入时，协调器会给每个终端节点分配地址。当用户需要采集心电数据时，由协调器向终端节点发送指令，其后等待接收采样数据，并把接收到的数据通过串口上传给上位机。

4.3 心电信号采集

在心电信号的连续采样中主要是通过设置CC2530的ADCCGG、ADCCON2和ADCCON1寄存器来完成输出电压的采样工作，包括ADC参考电压、采集频率、分辨率等，其函数原形如下：

4.4 上位机软件设计

上位机负责接收到的心电信号数据，并根据该数据绘制心电图。上位机通过使用MSCOMM串口编程控件完成对串口数据的接收，并将数据存储到数据库中。绘图功能根据心电信号的数据调用GDI库函数绘制心电图。上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面图

5 系统测试

根据系统的设计，本次通过采集一个正常人的心电信号，并通过ZigBee无线传感器网络发送到上位机，由上位机绘制一段心电波形图来进行测试。经测试，上位机上绘制如图6所示波形，与医学上正常人的心电图相比较基本吻合。因此，本系统采集到的心电信号数据稳定、可靠，系统达到了预期设计目标。

图6 上位机显示图

6 结束语

针对传统无线医疗健康监护的缺点，本设计使用ZigBee技术进行设计，实现了对患者心电信号的实时监测，患者可以不受时间和空间的限制，为医护人员提供了有力的诊断依据，减少了医护人员的工作强度，具有很大的市场应用前景。

[1]王保华.心电技术面向未来--纪念心电图机发明100周年[J].中国医疗器械杂志，2003，27（6）:390-391.

[2]姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术[M].北京:清华大学出版社，2014.

[3]马晓珺，赵哲.基于ZigBee远程心电监护系统设计[J].计算机测量与控制，2014（1）:210-211

[4]陈铁军，魏超，贾东明.基于ARM9的心电监护系统[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，4（23）:3156-3159.

[5]朱洪波，杨光晨，杨鹏，等.便携式实时心电监护分析系统的设计[J].计算机测量与控制，2013，21（7）:278-280.

[6]韩泊，苗长云，戈立军.基于Zigbee的人体心电信号无线监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014，22（7）:2067-2069.

[7]李红利，刘元建，张荣华，等.基于无线传感器网络的社区心电监护系统设计[J].天津工业大学学报，2015，34（1）:64-67.

[8]任鹏玲，李立峰，陈龙图，等.养老机构老年人移动体征监测系统设计[J].中国医疗器械杂志，2014，38（2）:110-113.

[9]彭龑，周璐，何展，等.物联网概念下的便携式心电监护仪[J].自动化技术与应用，2014，33（9）:61-64

[10]Chipcon AS SmartRF CC2430 Preliminary Datasheet rev.1.01[C]//SWRSO36A，2005.

Design of monitor system of ECG based on ZigBee

XIAO Yan
（School of Computer，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

In order to satisfy the requirement of real-time monitoring of Electrocardiogram （ECG）for cardiac patients in hospitals，families and nursing homes.This paper design a real-time system based on ZigBee technology.The system collects ECG signal by leading electrodes，and then transmit data through the ZigBee wireless sensor network.Finally，the upper computer software draws ECG.The results of tests indicate the system has achieved real-time monitoring and timely diagnosis of patient's ECG.

ZigBee；ECG；WSN；IOT

TN92

A

1674－6236（2016）18-0007-03

2015-11-02 稿件编号：201511022

陕西省教育厅自然科学类专项项目（14JK1047）

肖 燕（1982—），女，湖北咸宁人，硕士，助教。研究方向：计算机应用。