基于ZigBee无线传感网络的心电监护系统

郑春春，鲍丙豪，曹一涵

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)



基于ZigBee无线传感网络的心电监护系统

郑春春，鲍丙豪，曹一涵

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

为解决常规心电图检测具有不利于病人活动的局限性和实时性差等问题。设计了一种基于ZigBee无线传感网络的心电监护系统。对体表提取的心电信号进行硬件电路预处理后，利用CC2530对心电信号进行无线传输，并由协调器通过串口传输给上位机，利用LabVIEW软件对心电信号进行波形显示、滤波等处理，从而完成心电信号的实时监测。该监护系统可长时间实时地对心脏病患者进行监护，且不限制病人日常活动，能够真实的显示出心电的相关信息。

无线传感网络；心电信号；ZigBee；滤波；LabVIEW

据统计，我国心脏病[1]患者的死亡率位列全球第3[2]。目前，医院常规使用的心电监护系统多采用固定系统，即将心电电极采集到的人体心电信号通过线缆传输到监控中心。这种方式不仅资源浪费大，不便于携带还限制了病人和医护人员的活动。因此，研制一种能够连续监测患者心电数据,同时又能使患者拥有更多移动空间的监护系统是必要的。

本文设计的监护系统可实现24小时实时监护多个心脏病患者，从而可高效护理心脏病患者同时减轻医护人员的工作量。

1 系统结构与原理

系统主要包括3部分：(1)心电传感器节点；(2)ZigBee无线网络；(3)基于LabVIEW的上位机显示及处理系统。具体内容为：利用心电采集电极采用标准Ⅰ导联方式提取出原始心电信号，经过硬件电路处理后，由CC2530模块进行A/D转换并发送信号，中继路由节点将数据传送至协调器节点，协调器节点通过串口与PC机通信，运用开发的LabVIEW系统进一步对心电信号进行软件滤波，进行心电信号波形显示等处理。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 系统硬件设计

心电传感器节点包括心电采集及处理模块与ZigBee无线收发模块，ZigBee无线收发模块采用TI公司的CC2530芯片。心电采集与处理模块主要对原始心电信号进行两级放大和滤波等，如图2所示。为使其便携，制作了PCB板。

图2 传感器节点硬件处理电路

(1)第一级放大及右腿驱动电路。正常心电信号大小约为1～5 mV，频率在0.05～100 Hz内，属于低频微弱信号[3]。采用两级放大电路对其放大，其中第一级采用AD620将其放大约8倍，第一级放大电路对信号只是初步的放大，以防电路产生自激。检测到的心电信号中往往含有较强的背景噪声[4]。因此设计了右腿驱动电路以来降低共模干扰[5]。从前级放大电路中两个相等的偏置电阻中取出人体共模干扰，分别经过电压跟随器进行隔离以及反相器放大后与右腿连接，采用对消法滤除干扰；

(2)心电信号滤波电路。心电信号的提取过程中易受到多种干扰，如基线漂移、肌电干扰、电磁干扰等[6]。为了准确地提取出心电信号，在传感器节点的硬件电路中设计了处理相应噪声的电路来进行硬件滤波。

人体动作、呼吸以及电极与体表接触不良等造成ECG信号偏离原基线水平而发生漂移，其频率一般<0.05 Hz[7]。因此，设计了一个截止频率为0.05 Hz的压控电压源二阶高通滤波器滤除0.05 Hz以下的干扰信号。电路的性能参数见式(1)～式(3)。

通带增益

(1)

品质因数

(2)

截止频率

(3)

其中,C1=C6+C7,C2=C8+C9,如图3所示。

检测心电信号时，由导线窜入到检测心电信号系统中的工频干扰也一并被放大[8]。因此设计一个截止频率为50 Hz的陷波器滤除工频信号。具体设计的电路如图4所示。

人体受到的肌电干扰等可达300 Hz，因此设计一个截止频率为100 Hz的压控电压源型二阶低通滤波器来滤除心电信号中频率在100 Hz以上的干扰信号。通过以上滤波处理，可滤除心电信号中的大部分干扰。

图3 压控电压源高通滤波器

图4 陷波器

(3)二级放大与电平抬升电路。CC2530的A/D转换的输入幅度要求为0～3.3 V，因此整个电路的放大倍数约在800倍。前级AD620放大电路放大倍数为8倍，因而第二级放大电路放大约100倍。经前几级处理得到的心电信号仍为交流信号，故采用同相加法器设计电平抬升电路将交流信号抬升1.5 V，以得到直流信号。

3 系统软件设计

系统软件开发环境为IAR开发平台，协议栈采用TI公司的Zstack[9-10]，以此协议栈作为模板，进行LED、按键以及LCD等硬件资源的移植[11]，进行系统开发。整个程序都是在OSAL操作系统上运行的[12]。

3.1 传感器节点及路由器节点软件设计

传感器节点的CC2530的P0.6设置为心电信号的输入口，P0口配置成ADC输入。选择DMA通道6作为数据传输通道，参考电压选择AVDD_SoC，分辨率选择12 bit，采样率设为500 Hz。传感器节点的应用程序调用AF_DataRequest()函数发送数据包[13]。此外，该节点还设置了LED灯用于显示组网信息、节点类型，路由节点与其使用相同的程序代码。节点的ADC转换程序如下：

HalAdcSetReference(HAL_ADC_REF_AVDD);

//选择A/D转换的参考电压

adc=HalAdcRead(HAL_ADC_CHN_AIN6, HAL_ADC_RESOLUTION_12);//选择通道6

vol = (float)(adc/(float)2048)*3.3;

3.2 协调器节点软件设计

协调器负责建立网络，分配地址、更新节点数据等[14]。通过串口与PC机之间的通信，程序中串口先初始化，比如设置波特率等，然后注册串口任务。此外系统设计了LCD，用于显示节点的组网信息等。协调器的串口程序如下：

HalUARTWrite(0,pkt->cmd.Data,pkt->cmd.DataLength); //串口输出接收到的数据

HalUARTWrite(0, " ", 1); // 回车换行

3.3 上位机软件设计

上位机软件采用LabVIEW进行开发，主要包括：串口通信模块、基线漂移和工频干扰滤除模块、QRS波群检测模块和心率计算模块等。串口通信波特率设置为115 200。设计5阶的巴特沃斯带阻滤波器滤除50 Hz的工频干扰；使用LabVIEW ASPT工具箱中的Wavelet Denoise Express VI滤除宽带噪声[15]，并使用WA Detrend VI消除基线漂移，检测Q、R和S点使用WA Multiscale Peak Detection VI。

4 实验结果

本文搭建的心电监护系统如图5(a)所示，协调器LCD显示界面如图5(b)所示。上位机处理结果如图6所示，图6(a)是上位机接收到的原始心电信号波形；图6(b)是其信号频谱图，可见信号中仍含有50 Hz的工频干扰，图6(c)是滤除工频干扰后的信号；图6(d)是使用小波滤除宽带噪声后的心电信号，可见宽带噪声被大幅抑制而心电信号的主要细节保持不变；图6(e)是小波滤除基线漂移之后的信号，可见处理后的心电信号几乎不含有基线漂移；图6(f)是软件滤波之后的频谱。由实验结果可知，通过软件滤波，大幅抑制了工频干扰、宽带噪声和基线漂移，较好的显示出了心电波形。

图5 心电监护系统及LCD显示

图6 上位机处理结果

5 结束语

本文提出了一种基于ZigBee无线传感网络的心电监护系统，系统介绍了心电监护系统的检测原理、信号处理设计、无线传输设计以及上位机系统设计。其具有低功耗、实时性、便携性、可扩展性，可长时间有效的监护患者的心电信号。通过实验结果可知，由体表提取的心电信号可通过ZigBee无线传输，在上位机实时显示和处理，软件显示的各种数据信息与实际值基本相符，系统各项参数达到设计要求。

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An ECG Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network

ZHENG Chunchun，BAO Binghao，CAO Yihan

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China)

In view of the problems of the conventional electrocardiogram detection limitations and poor real-time performance, a ECG monitoring system based on ZigBee wireless sensor network is proposed. Through the hardware circuit preprocessing for the ECG signal which is extracted from the body surface, ECG signal is transmitted based on CC2530, coordinator collects data and transmits to the host computer. Then LabVIEW software is used for ECG signal waveform display, filtering and heart rate calculation and other processing. This monitor system can monitor the patient for a long time in real time , do not limit the patient’s daily activities and display the ECG information truely.

wireless sensor networks; ECG signal; ZigBee; wave filtering; LabVIEW

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.012

2016- 03- 04

江苏大学工业中心大学生创新实践基金资助项目(ZXCXJJ201438)

郑春春(1989-)，女，硕士研究生。研究方向：传感器设计及信号处理。鲍丙豪(1963-)，男，教授。研究方向：新型传感器，智能仪器仪表等。

TN926；TP393

A

1007-7820(2016)12-041-04