低功耗蓝牙传输远程脉搏血氧饱和度监测系统设计

王云光+张妍+罗章源+张蕾蕾

摘 要：在临床与日常保健中，血氧饱和度（SPO2）测量具有重要意义。传统采用有线测量方法，必然会给病人带来行动上的不便。提出将血氧饱和度检测系统与蓝牙技术相结合的测量方式，可有效克服传统系统的诸多弊端。此外，还提出了应用ARMS嵌入式网关的设想，在有效接入Internet的基础上，实现对脉搏血氧饱和度监测设备的远程访问。

关键词：蓝牙传输；无线传输；脉搏血氧饱和度；远程监测系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.162061

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0046-02

0 引言

血氧饱和度（SPO2）指氧合血红蛋白容量占脉血中全部可结合的血红蛋白容量的比例[1]。目前，关于血氧饱和度的测量已被广泛应用于临床中，特别是针对重症病人以及手术中的病人，血氧监测是治疗过程中必不可少的内容。导线连接是传统血氧监测系统的连接方式，卧床监护方式也是在导线连接环境下形成的，这种监护方式必然会给病人的行动带来诸多不便。因此，便携式、模块化、网络化、多参数监护以及实时信号处理等已成为目前医疗监护产品的总体发展趋势。本研究创新性地将低功耗蓝牙传输技术应用到血氧饱和度监测系统中，利用蓝牙技术无线传输血氧饱和度信号。该系统不仅能够为病人的自由行动带来便利，同时也能够为远程医疗与家庭监护创造更多有利条件。

1 控制器血氧饱和度仪设计

单片机产生控制信号，使红光及红外光二极管交替发光，光电传感器对信号放大并经过滤波电路处理，即可将信号送入单片机的A/D通道内，然后由单片机对其进行计算处理，最后通过串口将获取的血氧饱和度与脉率发送到嵌入式网关中。

嵌入式网关采用的处理器为Samsung（三星公司）的“S3C2410”微处理器，此处理器的操作系统是在Linux下构建而成，主要功能是通过网口转发串口接收的数据，实现与远程网络的连接。通过嵌入式网关之后，系统设备即可在近距离范围内访问Internet以及本地网络，从而达到与远程监护中心互联的效果。

较之于传统的有线电缆传输方式，血氧饱和度仪与嵌入式网关的连接是通过无线蓝牙传输方式实现的，这里的蓝牙串口适配器与有线电缆连接方式相同，仅需将数据写入串口，即可将其传输到远端用户设备中[2]。有线串口电缆连接方式（即血氧饱和度仪与嵌入式网关相连）与蓝牙连接方式分别如图1、图2所示。

2 脉搏血氧饱和度测量系统设计

图3为脉搏式SPO2检测仪的原理结构图。SPO2检测仪主要是由单片机、指套式光电传感器、光源驱动、A/D转换以及放大器等构成。单片机采用AT89C51；A/D转换采用AD7854L（ADI公司生产的12位并行模数转换器件），其能够满足仪器对精度及速度的要求；放大器选用AD8603（ADI公司生产）。另外，一般情况下，为方便测量，基本上会以手指作为SPO2测量的部位，所以大多选用套式光电传感器。

指套式光电传感器采用红光与红外光交替发光的方式，而相应的接收部分则是一个光电池[3]。相反，放大器电路采用二阶低通滤波电路，通过对电容、电阻的合理选用，使截止频率为4Hz，以充分满足脉搏跳动频率的要求。在实际测量过程中，将人体中指插入指套，一旦手指脉搏出现跳动，即可透过手指传入相应的λ中，λ接收到的二极管光强则会发生变化，并转换成电脉冲，经放大被送往AD7854L中采样。AT89C51则根据采样数据计算出对应的R，最终由SPO2=AR+B公式计算出实际的血氧饱和度。从整体上看，此仪器无论是对λ的接收、放大还是对AD的采集，都采用同一个通道。该方式能够有效克服多通道传输中因通道特性差异造成的误差，使测量精度得到提升。

3 血氧饱和度数据蓝牙传输

以蓝牙技术为传输方式的仪器通过单片机（基于HCI层）实现对蓝牙模块的控制，蓝牙主机的控制器接口（即HCI）同时也是蓝牙模块与主机（如PC、DSP及控制蓝牙模块的单片机等）之间的软硬件接口[4]。一般而言，通信工作都是通过HCI传输层实现的，具体传输框图如图4所示。

控制器与主机之间的信息交换是由HCI收发封包的工作来实现。HCI传输层传送的封包主要有3种类型，分别为事件封包、指令封包与数据封包[5]。其中，数据封包又被划分为SCO与ACL数据封包。但一般情况下，主机与主机控制器通过指令应答的方式实现控制，在接收到相应的事件封包后，主机控制器会将其返回主机中，从而检查一些指令是否执行，一旦指令实施过程中产生了微小错误，返回的事件封包（主要内容为指令状态）则会显示出相应的错误代码。

USB协议、RS232协议与UART协议是构成HCI传输层串行协议的3大协议。需要注意的是，除上述协议外，HCI传输层还存在第4个协议，即PC卡传输层协议。针对不同的应用需求，4种传输协议均能发挥一定功效，但其中的UART方式是最容易实现的。

从整体上看，UART接口中所有数据的收发都经过了TX与RX两条线，要想判断接收到的HCI封包类型，具有一定难度[6]。因此，只有对通过UART（包含RS232）接口传送的封包贴上相应标志，才能有效划分封包类型，如0x01为指令封包，0x02为ACL数据封包，0x03为SCO数据封包，0x04为事件封包等。一般情况下，ACL的数据通信主要划分为6个步骤，即：蓝牙模块初始化→HCI流量控制设置→查询→建立连接→进行数据通信→断开连接。

综上所述，这种通过HCIUART传输层对蓝牙模块进行操作的方式，能够有效完成血氧饱和度设备蓝牙数据传输的整个过程。该系统通信波特率为9 600bps，这是受单片机UART接口速率限制的原因[7]。在实验室内的普通条件下，传输距离为10m，数据传输稳定可靠。调试结果表明，本监测系统能高效传输脉搏血氧饱和度的数据信息。具体而言，借助对外射频功率放大模板，使蓝牙通信的覆盖范围长期稳定在100m以内。然而，如果配置具有蓝牙功能的手机，可在更大范围内扩展传输距离。同时，手机可利用GSM/GPRS将数据传输到相应的控制中心，以便于人们的信息交换。

4 结语

本文研究重点为一种充分利用嵌入式网关实现血氧饱和度信息传输的远程脉搏血氧饱和度监护系统，此监护系统能够有效将血氧饱和度信息传送到远程监护中心[8]。与此同时，该系统对于血氧饱和度仪与嵌入式网关的连接主要采用无线蓝牙串口适配器的方式实现，该方式能够为病人带来更多行动上的便利。随着以太网的日益普及，诸多常规的串口通信设备都可以通过以太网接入到控制网络中，从而更具便捷性。其采用的Linux操作系统利用免费开发的工具包，可以在很大程度上降低开发成本，这无疑代表了嵌入式系统开发的一个新方向。

参考文献：

[1] 张历，段发阶，李超.基于IOS平台的脉搏血氧仪设计与实现[J].计算机工程与应用，2015（8）：53-60.

[2] 李庆波，聂鑫，张广军，等.分段滤波用于消除脉搏血氧检测中多种运动干扰的研究[J].光谱学与光谱分析，2009，29（11）：2994-2997.

[3] 杨迪娜.蓝牙4.0技术搭载便携式设备新产品强势逆袭[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（2）：84-85.

[4] 刘晓东，郭兴明，肖守中.基于蓝牙的心音采集系统中串行数据通信的研究和实现[J].北京生物医学工程，2005（1）：102-105.

[5] 刘岩峰.血氧饱和度的频域分析及其抗干扰性能[J].中国医学工程，2012（7）：72-73.

[6] 戴明，王琪，吴万庆.一种低功耗脉搏血氧饱和度测量系统的设计[J].电子技术应用，2014（10）：53-56.

[7] 曹辉，何波.基于蓝牙传输的脉搏血氧饱和度监测系统设计[J].微计算机信息，2012，11（25）：104-106.

[8] 李晓鹏，宋爱国，彭思，等.脉搏血氧饱和度远程实时监护系统设计[J].传感技术学报，2010（6）：772-776.

（责任编辑：黄 健）